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ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA UN CENTRO DE CONTROL DEL LABORATORIO DE ALTA TENSIÓN EN LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA, CAMPUS KENNEDY
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
SEDE QUITO
FACULTAD DE INGENIERÍAS
CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO.
TEMA:
“ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA UN CENTRO DE CONTROL DEL
LABORATORIO DE ALTA TENSIÓN EN LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA
SALESIANA, CAMPUS KENNEDY”
AUTOR:
LUIGI ANDRÉS FURLAN GARCÍA
DIRECTOR:
ING. DIEGO CARRIÓN
QUITO, ABRIL 2013
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DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD
Ing. Diego Carrión
CERTIFICA:
Haber dirigido y revisado prolijamente cada uno de los capítulos técnicos de la tesis
titulada: “Estudio de factibilidad para un centro de control del laboratorio de Alta Tensión
en la Universidad Politécnica Salesiana, Campus Kennedy”, realizado por el señor: Luigi
Andrés Furlan García, previa la obtención del título de Ingeniero Eléctrico en la Carrera de
Ingeniería Eléctrica.
Habiendo cumplido los requisitos, autorizo su presentación.
Quito, Abril del 2013
____________________________
Ing. Diego Carrión
DIRECTOR
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DECLARATORIA DE AUTORÍA
Yo, Luigi Andrés Furlan García, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de
mi autoría, que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación
profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este
documento.
A través de la presente declaración cedo los derechos de propiedad intelectual
correspondiente a este trabajo, a la Universidad Politécnica Salesiana, según lo establecido
por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
Quito, Abril del 2013
_________________________
Luigi Andrés Furlan García
AUTOR
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AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios por brindarme grandes profesionales y excelentes personas que con su
conocimiento aportaron para la realización del presente trabajo.
A mi familia por todo el esfuerzo que hicieron para darme una profesión y hacer de mí una
persona de bien, gracias por los sacrificios y la paciencia que demostraron durante estos
años así como el apoyo brindado para culminar el proyecto de tesis y a los profesores
quienes han cooperado con sus conocimientos y experiencias para mi desarrollo como
profesional.
Luigi Andrés Furlan García
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DEDICATORIA
Dedico el presente trabajo de tesis a mis padres y hermana, quienes a lo largo de toda mi
vida supieron brindarme su apoyo en todo proyecto en el que participé, a las personas que
siempre tuvieron una palabra de apoyo en los momentos más difíciles y que han sido
incentivos para mi vida.
Luigi Andrés Furlan García
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ÍNDICE DE CONTENIDO
PÁGINA
DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD ............................................................................. I
DECLARATORIA DE AUTORÍA .............................................................................................. II
AGRADECIMIENTOS .............................................................................................................. III
DEDICATORIA……. ................................................................................................................ IV
ÍNDICE DE CONTENIDO .......................................................................................................... V
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................... XI
ÍNDICE DE ANEXOS ............................................................................................................. XIX
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.................................................................................... XX
JUSTIFICACIÓN DEL TEMA .................................................................................................. XX
ALCANCES…………. ............................................................................................................ XXI
OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................ XXI
OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................................... XXI
HIPÓTESIS………….. ........................................................................................................... XXII
MARCO METODOLÓGICO .................................................................................................. XXII
ESQUEMA DE CONTENIDOS. ............................................................................................ XXIII
GLOSARIO DE TÉRMINOS ..................................................................................................XXV
RESUMEN…………. ........................................................................................................... XXVI
CAPÍTULO I
CENTRO DE CONTROL ELÉCTRICO
1.1. GENERALIDADES DE UN CENTRO DE CONTROL ........................................................ 1
1.1.1.-FORMAS DE CONTROL ................................................................................................. 2
1.1.2.-ESTRUCTURA DE UN CENTRO DE CONTROL ............................................................ 2
1.1.2.1.-CENTRO DE CONTROL ............................................................................................... 3
1.1.2.2.-COMUNICACIONES .................................................................................................... 4
1.1.2.2.1. SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE LA SEÑAL........................................................... 9
1.1.2.2.2. MODOS DE TRANSMISIÓN DE DATOS................................................................. 12
1.1.2.2.3. TIPOS DE CONFIGURACIONES DE CONEXIONES .............................................. 12
1.1.2.2.4. TRANSMISIÓN EN SERIE ....................................................................................... 14
1.1.2.2.5. TIPOS DE REDES DE ACUERDO A LA DISTANCIA DE COBERTURA ............... 15
1.1.2.2.6. TIPOS DE TOPOLOGÍAS ......................................................................................... 17
1.1.2.3. EQUIPAMIENTO CON LOS BUS DE CAMPO ........................................................... 21
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1.1.2.3.1. AS-INTERFACE (AS-I)............................................................................................. 22
1.1.2.3.2. PROFIBUS ................................................................................................................ 26
1.1.2.3.3. ETHERNET ............................................................................................................... 31
1.2. INTRODUCCIÓN AL LABORATORIO DE ALTA TENSIÓN DE LA U.P.S. .................... 32
1.2.1. LABORATORIO ÁREA INTERNA ................................................................................ 33
1.2.1.1. JAULA DE FARADAY ................................................................................................ 33
1.2.1.3. TRANSFORMADOR ................................................................................................... 34
1.2.1.2. AUTO TRANSFORMADOR ........................................................................................ 36
1.2.2. EXTERIOR DEL LABORATORIO DE ALTA TENSIÓN. .............................................. 37
1.2.2.1. EQUIPO DMI 551 ......................................................................................................... 37
1.2.2.2. EQUIPO DE ALTA TENSIÓN OT 276 ......................................................................... 38
1.2.2.3. EQUIPAMIENTOS PRINCIPALES ............................................................................. 39
1.3. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA.................................................................................... 40
1.3.1. RESISTIVIDAD DEL SUELO......................................................................................... 41
1.3.2. MALLAS DE TIERRA .................................................................................................... 42
1.3.3. ELECTRODOS ............................................................................................................... 43
1.3.3.1. ELECTRODOS TIPO PICAS ........................................................................................ 43
1.3.3.2. ELECTRODOS TIPO PLACAS .................................................................................... 44
1.3.3.3. CONDUCTORES ENTERRADOS ............................................................................... 45
1.3.3.4. MALLAS METÁLICAS ............................................................................................... 46
1.4. NORMAS DE SEGURIDAD DEL LABORATORIO DE ALTA TENSIÓN. ....................... 47
1.4.1. CUIDADOS GENERALES ............................................................................................. 48
1.4.2. TRABAJO DENTRO DE LA JAULA DE FARADAY ..................................................... 48
1.4.3. CUIDADOS DE EQUIPOS .............................................................................................. 49
CAPÍTULO II
ESTUDIO DEL CENTRO DE CONTROL ELÉCTRICO
2.1. DATOS A MONITOREAR................................................................................................. 50
2.1.1. VOLTAJE ALTERNO ..................................................................................................... 50
2.1.1.1. VALOR PICO-PICO (VPP) .......................................................................................... 53
2.1.1.2. VALOR MEDIO (VMED) ............................................................................................ 53
2.1.1.3. VALOR EFICAZ (VRMS) ............................................................................................ 54
2.1.2. CORRIENTE CONTINUA .............................................................................................. 54
2.1.2.1. VOLTAJE ALTERNO EN VOLTAJE CONTINUO ...................................................... 54
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2.2. DISEÑO DEL CENTRO DE CONTROL. ........................................................................... 55
2.2.1. DISEÑO ACTUAL .......................................................................................................... 55
2.2.2. SEÑALES DEL ESTUDIO .............................................................................................. 56
2.2.2.1. TENSIÓN DE IMPULSO.............................................................................................. 58
2.2.2.2. ONDA DE IMPULSO ATMOSFÉRICO ....................................................................... 58
2.2.3. ESPECIFICACIONES CENTRO DE CONTROL ............................................................ 60
2.2.3.1. SISTEMA DE VISUALIZACIÓN ................................................................................. 60
2.2.3.2. SISTEMA DE PROCESAMIENTO DE SEÑAL ........................................................... 61
2.2.3.3. ESPACIO FÍSICO......................................................................................................... 63
2.2.3.4. MUEBLES TIPO RAKS PARA EQUIPOS DE COMUNICACIÓN, CONTROL Y
MEDIDA .......................................................................................................... 64
2.2.3.5. SISTEMA DE CABLEADO.......................................................................................... 65
2.2.3.5.1. TIPOS DE CABLES................................................................................................... 66
2.2.3.6. PROTOCOLOS DE COMUNICACIONES ................................................................... 70
2.2.3.6.1. PROTOCOLO TCP/IP ............................................................................................... 71
2.2.3.6.2. TCP……. ................................................................................................................... 71
2.2.3.6.3. PROTOCOLO DE DATAGRAMAS DE USUARIO (UDP) ....................................... 72
2.2.3.7. EQUIPOS DE CONTROL Y MONITOREO ................................................................. 72
2.2.3.7.1. EQUIPO DMI 551 ...................................................................................................... 72
2.2.3.7.2. EQUIPO OT 276 ........................................................................................................ 74
2.3. ADQUISICIÓN DE DATOS. .............................................................................................. 74
2.3.1. AMPLIFICACIÓN .......................................................................................................... 77
2.3.2. AISLAMIENTO .............................................................................................................. 77
2.3.3. FILTRADO….................................................................................................................. 77
2.3.4. DIVISORES DE TENSIÓN. ............................................................................................ 77
2.3.4.1. DIVISORES DE RESISTIVO ....................................................................................... 78
2.3.4.2. DIVISOR CAPACITIVO .............................................................................................. 79
2.3.5. TARJETA DE ADQUISICIÓN DATOS NI 6212 USB ..................................................... 80
2.3.5.1. LOS CONECTORES E/S .............................................................................................. 81
2.3.5.2. NI-PGIA… ................................................................................................................... 82
2.3.5.3. AI FIFO….. .................................................................................................................. 83
2.4. ESTUDIO DE EQUIPOS A IMPLEMENTAR .................................................................... 83
2.4.1. EQUIPO DE PROCESAMIENTO ................................................................................... 83
2.4.2. MONITORES O PROYECTORES .................................................................................. 84
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2.4.3. TARJETAS DE ADQUISICIÓN ...................................................................................... 84
CAPÍTULO III
DISEÑO DEL SISTEMA DE SIMULACIÓN DEL CENTRO DE CONTROL
3.1. DISEÑO DE UN SISTEMA SCADA .................................................................................. 87
3.1.1. SOFTWARE.. .................................................................................................................. 87
3.1.2. ADQUISICIÓN DE DATOS ............................................................................................ 88
3.1.3. HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS DE SEÑALES ........................................................... 91
3.1.4. GENERACIÓN DE REPORTES. ..................................................................................... 93
3.1.5. SISTEMA SCADA EN FUNCIÓN DE LAS PRÁCTICAS ..............................................104
3.1.5. 1. APLICACIONES DE DIVISORES .............................................................................104
3.1.5. 1.1. DIVISOR DE TENSIÓN DE VOLTAJE EN AC .......................................................104
3.1.5. 1.2. DIVISOR DE TENSIÓN DE VOLTAJE EN DC .......................................................106
3.1.5.1.3. DIVISOR DE TENSIÓN DE VOLTAJE EN IMPULSO ............................................110
3.1.5.2. APLICACIÓN DE LOS DIVISORES DE TENSIÓN ....................................................114
3.1.6. PRÁCTICAS DEL SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO .....................................116
3.1.6.1. GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE EN AC 100KV ..........................116
3.1.6.2. GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE EN AC Y DC ............................118
3.1.6.3. GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE DE IMPULSO ..........................121
3.1.6.3.1. HERRAMIENTAS PARA GUARDAR LAS SEÑALES DE IMPULSO. ...................125
3.1.6.3.2. PROGRAMACIÓN BASE DE DATOS PARA LA SEÑAL DE IMPULSO. ..............127
3.1.6.4. PRUEBA DESTRUCTIVA DE LA RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL AIRE ..................132
3.1.6.5. PRUEBAS DE AISLAMIENTOS DE UN TRANSFORMADOR DE 13.8 KV .............134
3.1.6.5.1. MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO DE LOS DEVANADOS. .135
3.1.6.6. PRUEBAS DE ACEITE DE UN TRANSFORMADOR ................................................138
3.1.6.7. DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DIELÉCTRICAS DEL AIRE .....141
3.1.6.8. RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL AIRE A DIFERENTES PRESIONES. ........................143
3.1.6.9. PRUEBA DE AISLADORES .......................................................................................145
3.1.6.10. PRUEBA DE AISLADORES EN CONDICIONES DE CONTAMINACIÓN .............147
3.1.6.11. PRUEBA DEL PARARRAYOS .................................................................................148
3.2. DIMENSIONAMIENTO DEL CENTRO DE CONTROL. .................................................150
3.3. DIMENSIONAMIENTO ELÉCTRICO DE CONEXIONES Y PROTOCOLOS. ................152
3.3.1. DIMENSIONAMIENTO ELÉCTRICO DE CONEXIONES ...........................................153
3.3.1.1. PRESIÓN.. ..................................................................................................................156
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3.3.1.2. MOVIMIENTO ...........................................................................................................157
3.3.1.2.1. ENCODER INCREMENTAL ...................................................................................158
3.3.1.2.2. ENCODER ABSOLUTO ..........................................................................................158
3.3.1.3. TEMPERATURA ........................................................................................................159
3.4. SISTEMA DE MONITOREO CON BASE DE DATOS DINÁMICA Y REPORTES WEB.159
3.4.1. SISTEMA DE BASE DE DATOS DINÁMICA ...............................................................160
3.4.1.1. CREACIÓN DE ARCHIVO .UDL ...............................................................................160
3.4.1.2. BLOQUE PARA GUARDAR LOS DATOS .................................................................162
3.4.2. REPORTES WEB. ..........................................................................................................166
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS Y PRUEBAS
4.1. VERIFICACIÓN DE HIPÓTESIS. ....................................................................................168
4.2. ESTUDIO COSTO-BENEFICIO. ......................................................................................168
4.3. FACTIBILIDAD TÉCNICA. .............................................................................................174
4.3.1. PERSONAL....................................................................................................................174
4.3.2. HARDWARE .................................................................................................................174
4.3.3. SOFTWARE.. .................................................................................................................175
4.4. FACTIBILIDAD DE IMPLEMENTACIÓN. .....................................................................175
4.5. VERIFICACIÓN DE DATOS. ...........................................................................................175
4.5.1. VOLTAJE ALTERNO O VOLTAJE AC. ........................................................................176
4.5.2. VOLTAJE CONTINUO O VOLTAJE DC.......................................................................178
4.5.3. VOLTAJE DE IMPULSO. ..............................................................................................181
4.6. REPORTES…… ...............................................................................................................182
4.6.1. GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE EN AC 100KV.............................182
4.6.2. GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE EN AC. Y DC. .............................182
4.6.3. GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE DE IMPULSO .............................182
4.6.4. PRUEBA DESTRUCTIVA DE LA RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL AIRE .....................183
4.6.5. PRUEBAS DE AISLAMIENTOS DE UN TRANSFORMADOR ....................................183
4.6.6. PRUEBAS DE ACEITE DE UN TRANSFORMADOR ...................................................183
4.6.7. DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DIELÉCTRICAS DEL AIRE ........184
4.6.8. RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL AIRE A DIFERENTES PRESIONES ............................184
4.6.9. PRUEBA DE AISLADORES ..........................................................................................184
4.6.10. PRUEBA DE AISLADORES EN CONDICIONES DE CONTAMINACIÓN ................185
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4.6.11. PRUEBA DE PARARRAYOS ......................................................................................185
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES...............................................................186
ANEXOS…………….. .................................................................................................190
REFERENCIAS……. ....................................................................................................223
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ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO I
CENTRO DE CONTROL ELÉCTRICO
FIGURA 1.1. CENTRO DE CONTROL ............................................................................................. 3
FIGURA 1.2. LEY DE SNELL DE LA REFLEXIÓN ............................................................................ 5
FIGURA 1.3. FIBRA MONOMODO ................................................................................................. 6
FIGURA 1.4. FIBRA MULTIMODO. ................................................................................................ 7
FIGURA 1.5. FIBRA MULTIMODO DE GRADIENTE GRADUAL. ......................................................... 8
FIGURA 1.6. FIBRA MULTIMODO DE GRADIENTE ESCALONADO. ................................................... 8
FIGURA 1.7. DESCRIPCIÓN DE SEÑALES INDIVIDUALES. ............................................................ 10
FIGURA 1.8. ENVIÓ DE MENSAJE EN UNA SOLA DIRECCIÓN. ........................................................ 13
FIGURA 1.9. ENVIÓ DE MENSAJE DE UNA DIRECCIÓN A OTRA. .................................................... 13
FIGURA 1.10. ENVIÓ DE MENSAJE DE UNA DIRECCIÓN A OTRA POR EL MISMO CANAL. ................ 14
FIGURA 1.11. ENVIÓ DE BITS POR UN CANAL. ............................................................................ 14
FIGURA 1.22. RED ANILLO ......................................................................................................... 18
FIGURA 1.23. RED EN ÁRBOL. .................................................................................................... 19
FIGURA 1.24. RED EN MALLA. ................................................................................................... 19
FIGURA 1.25. RED EN BUS. ....................................................................................................... 20
FIGURA 1.26. ESTRELLA. ........................................................................................................... 21
FIGURA 1.12. CONFIGURACIONES BÁSICAS DE UNA RED ............................................................ 22
FIGURA 1.13. CONTROL DE ACCESO AL MEDIO AS-I. ................................................................. 24
FIGURA 1.14. TRAMA AS-I ........................................................................................................ 24
FIGURA 1.15. TRAMA MAESTRO AS-I. ....................................................................................... 24
FIGURA 1.16. TRAMA DE RESPUESTA DEL ESCLAVO AS-I........................................................... 25
FIGURA 1.17. SISTEMA MULTIMAESTRO. ................................................................................... 27
FIGURA 1.18. COMUNICACIÓN DIRECTA. ................................................................................... 28
FIGURA 1.19. ACOPLE DE SEGMENTOS DP Y PA. ...................................................................... 29
FIGURA 1.20. PROFIBUS CON LOS TRES PERFILES. ..................................................................... 30
FIGURA 1.21. FORMAS DE TRAMA GIGABIT ETHERNET. ............................................................ 32
FIGURA 1.27. CONEXIONES INTERNAS DEL TRANSFORMADOR.................................................... 34
FIGURA 1.28. REPRESENTACIÓN DE UN TRANSFORMADOR. ........................................................ 35
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xii
FIGURA 1.29. TRASFORMADORES CON SUS DEVANADOS A) CONECTADOS DE MANERA
CONVENCIONAL Y B CONECTADOS COMO AUTO TRANSFORMADOR. .................. 36
FIGURA 1.35. EQUIPO DMI 551................................................................................................. 37
FIGURA 1.36. EQUIPO OT 276 ................................................................................................... 38
FIGURA 1.30. MALLA A TIERRA ................................................................................................. 42
FIGURA 1.31. ELECTRODOS EN PICAS ........................................................................................ 44
FIGURA 1.32. ELECTRODOS EN PLACA ....................................................................................... 45
FIGURA 1.33. CONDUCTORES ENTERRADOS .............................................................................. 46
FIGURA 1.34. MALLA A TIERRA ................................................................................................. 47
CAPÍTULO II
ESTUDIO DEL CENTRO DE CONTROL ELÉCTRICO
FIGURA 2.1. OSCILACIÓN SINUSOIDAL ....................................................................................... 50
FIGURA 2.2. OSCILACIÓN SINUSOIDAL CON DESPLAZAMIENTO................................................... 51
FIGURA 2.3. REPRESENTACIÓN FASORIAL DE UNA OSCILACIÓN SINUSOIDAL .............................. 52
FIGURA 2.4. VALOR PICO-PICO DE LA ONDA SINUSOIDAL ........................................................... 53
FIGURA 2.5. REPRESENTACIÓN DE RECTIFICACIÓN DE MEDIA ONDA .......................................... 55
FIGURA 2.6. PROTECCIONES DEL LABORATORIO DE ALTA TENSIÓN ........................................... 56
FIGURA 2.7. CIRCUITO PARA LA MEDICIÓN DE AC, DC Y TENSIÓN DE IMPULSO ......................... 57
FIGURA 2.8. SEÑAL ASIMÉTRICA ............................................................................................... 58
FIGURA 2.9. FORMA DE ONDA DE IMPULSO ATMOSFÉRICO ......................................................... 59
FIGURA 2.10. FORMA DE ONDA DE IMPULSO ATMOSFÉRICO CORTADA ....................................... 59
FIGURA 2.11. VIDEOWALLS DEL CENTRO DE CONTROL DEL CENACE....................................... 61
FIGURA 2.12. RACKS DE COMUNICACIONES. .............................................................................. 64
FIGURA 2.13. TABLERO ELÉCTRICO. .......................................................................................... 65
FIGURA 2.14. CABLES COAXIALES ............................................................................................ 67
FIGURA 2.15. CABLES PAR TRENZADO. ...................................................................................... 68
FIGURA 2.16. CABLE UTP ........................................................................................................ 69
FIGURA 2.17. CABLE STP. ........................................................................................................ 70
FIGURA 2.18. CABLE FTP. ........................................................................................................ 70
FIGURA 2.19. DIVISOR RESISTIVO .............................................................................................. 78
FIGURA 2.20. DIVISOR CAPACITIVO ........................................................................................... 79
FIGURA 2.21. NI 6212 USB ...................................................................................................... 80
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xiii
FIGURA 2.22. CONFIGURACIÓN CIRCUITO DE ENTRADA ANALÓGICA ......................................... 81
FIGURA 2.23. TERMINALES DE NI 6212 ..................................................................................... 85
CAPÍTULO III
DISEÑO DEL SISTEMA DE SIMULACIÓN DEL CENTRO DE CONTROL
FIGURA 3.1. DIAGRAMA DE BLOQUE Y PANEL FRONTAL. ............................................................ 88
FIGURA 3.2. SISTEMA DE ADQUISICIÓN ...................................................................................... 89
FIGURA 3.3. PANTALLA SELECCIÓN DE CANAL DE ADQUISICIÓN ................................................ 89
FIGURA 3.4. PANTALLA DE CONFIGURACIÓN CANAL ................................................................. 90
FIGURA 3.5. VI DE ADQUISICIÓN DE DATOS ............................................................................... 90
FIGURA 3.6. PALETA WAVEFROM MEASUREMENTS ................................................................... 91
FIGURA 3.7.EXTRACT SINGLE TONE INFORMATION .................................................................... 92
FIGURA 3.8.AMPLITUDE AND LEVELS ........................................................................................ 92
FIGURA 3.9.HARMONIC DISTORTION ANALYZER VI ................................................................... 92
FIGURA 3.10. PALETA DE GENERACIÓN DE REPORTES. ............................................................... 93
FIGURA 3.11. NEW REPORT VI. ................................................................................................. 93
FIGURA 3.12. SAVE REPORT TO FILE VI. .................................................................................... 94
FIGURA 3.13. PRINT REPORT VI. ............................................................................................... 94
FIGURA 3.14. OPEN HTML REPORT IN BROWSER VI. ................................................................... 94
FIGURA 3.15. DISPOSE REPORT VI. ............................................................................................ 95
FIGURA 3.16. EXCEL EASY TITLE VI. ......................................................................................... 95
FIGURA 3.17. EXCEL EASY TABLE VI......................................................................................... 96
FIGURA 3.18. EXCEL RENAME WORKSHEET VI. ......................................................................... 96
FIGURA 3.19. EXCEL GET WORKSHEET VI. ................................................................................ 97
FIGURA 3.20. ARREGLO DE VARIABLES. ................................................................................... 97
FIGURA 3.21. CREACIÓN DE VARIABLE. .................................................................................... 99
FIGURA 3.22. CUADRO DE CONFIGURACIÓN DE LA VARIABLE. ................................................. 100
FIGURA 3.23. VARIABLE GLOBAL ............................................................................................ 101
FIGURA 3.24. WAVEFORM GRAPH DESDE OTRO SUB VI. .......................................................... 101
FIGURA 3.25. COMUNICACIÓN ENTRE LA VARIABLE GLOBAL- VARIABLE LOCAL ...................... 101
FIGURA 3.26. APPEND FRONT PANEL IMAGE TO REPORT VI. .................................................... 102
FIGURA 3.27. BLOQUE ENCARGADO DE GUARDAR LAS SEÑALES DE AC, DC E IMPULSO ......... 102
FIGURA 3.28. BLOQUE PARA GUARDAS LOS DATOS EN EL REPORTE.......................................... 103
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xiv
FIGURA 3.29. DIVISOR RESISTIVO PARA 150 V DEL EQUIPO DMI 551 HACIA LA DAQ ............. 105
FIGURA 3.30. CIRCUITO PARA LA MEDICIÓN EN DC. ................................................................ 107
FIGURA 3.31. DIVISOR RESISTIVO PARA 7.5 V DEL EQUIPO DMI 551. ...................................... 109
FIGURA 3.32. CIRCUITO PARA LA MEDICIÓN DEL IMPULSO ....................................................... 110
FIGURA 3.33. CIRCUITO PARA LA MEDICIÓN DEL IMPULSO ....................................................... 111
FIGURA 3.34. DIVISOR RESISTIVO PARA 400 V DEL EQUIPO DMI 551 HACIA LA DAQ. ............ 113
FIGURA 3.35. PROGRAMACIÓN PARA LOS DIVISORES DE TENSIÓN. ........................................... 115
FIGURA 3.36. PROGRAMACIÓN PARA ANÁLISIS DE LA MEDICIÓN EN AC. ................................. 116
FIGURA 3.37. PROGRAMACIÓN DE LOS DIVISORES DE TENSIÓN EN AC ..................................... 117
FIGURA 3.38. PROGRAMACIÓN PARA GUARDAR LOS DATOS REPORTE ...................................... 118
FIGURA 3.39. PROGRAMACIÓN PARA ANÁLISIS MEDICIÓN EN AC Y DC ................................... 119
FIGURA 3.40. PROGRAMACIÓN DE LOSDIVISORES DE TENSIÓN EN AC Y DC ............................ 120
FIGURA 3.41. PROGRAMACIÓN PARA GUARDAR DATOS DENTRO DEL REPORTE ........................ 120
FIGURA 3.42. PROGRAMACIÓN PARA ANÁLISIS MEDICIÓN EN AC, DC E IMPULSO. ................... 121
FIGURA 3.43. CIRCUITO PARA LA MEDICIÓN EN IMPULSO ......................................................... 122
FIGURA 3.44. PROGRAMACIÓN DE LOS DIVISORES DE TENSIÓN DEL IMPULSO .......................... 122
FIGURA 3.45. REPRESENTACIÓN DEL ESTADO DE LAS ESFERAS DURANTE LA PRÁCTICA. .......... 123
FIGURA 3.46. CONFIGURACIÓN DE LA ENTRADA DIGITAL PARA MEDIR POSICIÓN. .................... 124
FIGURA 3.47. OPEN DATA STORAGE. ...................................................................................... 125
FIGURA 3.48. WRITE DATA. .................................................................................................... 126
FIGURA 3.49. WRITE DATA. .................................................................................................... 126
FIGURA 3.50. CLOSE DATA ...................................................................................................... 126
FIGURA 3.51. VI EXPRESS SET PROPERTIES DATA ................................................................... 127
FIGURA 3.52. DATA FILE VIEWER ........................................................................................... 127
FIGURA 3.53. PUNTOS CRÍTICOS DE LA SEÑAL DE IMPULSO ...................................................... 128
FIGURA 3.54. MASK AND LIMIT TESTING EXPRESS.................................................................. 129
FIGURA 3.55. PROGRAMACIÓN PARA DETECTAR LOS LÍMITES DE LA SEÑAL. ............................ 129
FIGURA 3.56. LECTURA DE DATOS DE LA SEÑAL DE IMPULSO GENERADA ................................. 130
FIGURA 3.57. LECTURA DE DATOS DE LA SEÑAL DE IMPULSO GENERADA ................................. 130
FIGURA 3.58. PROGRAMACIÓN PARA GUARDAR SEÑAL DE IMPULSO. ....................................... 131
FIGURA 3.59. PROGRAMACIÓN PARA GUARDAR SEÑAL DE IMPULSO. ....................................... 131
FIGURA 3.60. BLOQUE DE APLICACIÓN DE LA FÓRMULA DE PARCHEN. .................................... 134
FIGURA 3.61. CONFIGURACIÓN PARA MEDIR AISLAMIENTO EN EL TRANSFORMADOR ............... 136
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xv
FIGURA 3.62. TRANSFORMADO UTILIZADO EN EL LABORATORIO ............................................ 137
FIGURA 3.63. PANTALLA DE CARACTERÍSTICAS PRESENTE EN EL SCADA ............................... 137
FIGURA 3.64. CONFIGURACIÓN PARA LA PRUEBA DEL ACEITE ................................................. 138
FIGURA 3.65. EQUIPO DKU PARA LA PRUEBA DE RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL ACEITE .............. 139
FIGURA 3.66. REPRESENTACIÓN DE LA PRUEBA DEL ACEITE EN EL SISTEMA DE MONITOREO. ... 140
FIGURA 3.67. REPRESENTACIÓN DEL ESTADO DE LAS ESFERAS DURANTE LA PRÁCTICA. .......... 141
FIGURA 3.68. DEPENDENCIA DEL ESPACIADO-PRESIÓN DE LA RIGIDEZ DIELÉCTRICA DE LOS GASES
CURVA DE PARCHEN. ....................................................................................... 144
FIGURA 3.69. REPRESENTACIÓN PRUEBA DE RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL AIRE A DIFERENTES
PRESIONES. ..................................................................................................... 145
FIGURA 3.70. CONFIGURACIÓN PARA LA PRUEBA DE UN AISLADOR. ........................................ 146
FIGURA 3.71. MENÚ DE SELECCIÓN DEL TIPO DE AISLADOR. .................................................... 147
FIGURA 3.72. PANTALLA DE CARACTERÍSTICAS PARA LA PRUEBA DE AISLADORES EN
CONTAMINACIÓN. ........................................................................................... 148
FIGURA 3.73. CONFIGURACIÓN PARA LA PRUEBA DE UN AISLADOR. ........................................ 149
FIGURA 3.74. REPRESENTACIÓN DE LA PRÁCTICA DE PARARRAYOS. ........................................ 150
FIGURA 3.75. REPRESENTACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL CENTRO DE CONTROL. .................... 152
FIGURA 3.76. PARTE POSTERIOR DEL EQUIPO DMI 551 CON LAS ENTRADAS DE BNC. ............ 153
FIGURA 3.77. ADAPTADOR BNC EN T, HEMBRA-MACHO-HEMBRA .......................................... 153
FIGURA 3.78. CONECTOR BNC HEMBRA FIJACIÓN .................................................................. 154
FIGURA 3.79. POSICIÓN DEL SENSOR DE PRESIÓN EN EL EQUIPO DKU ..................................... 156
FIGURA 3.80. A) EQUIPO CONTENEDOR DE PARA ESFERAS B) CONTROLADOR DE DISTANCIAS DE
ESFERA C) DISPARADOR ELECTRÓNICO PARA GENERAR IMPULSOS. .................. 157
FIGURA 3.81. FUNCIONAMIENTO DEL ENCODER AL RECIBIR DATOS POR MOVIMIENTO ............. 158
FIGURA 3.82. ENCODER ABSOLUTO. ....................................................................................... 159
FIGURA 3.83. HERRAMIENTAS PARA CREACIÓN DE ENLACES. .................................................. 160
FIGURA 3.84. TIPOS DE VÍNCULOS DE DATOS ........................................................................... 161
FIGURA 3.85. CARACTERÍSTICAS DE LA BASE DE DATOS EN SQL ............................................. 162
FIGURA 3.86. HERRAMIENTAS DE SQL.................................................................................... 163
FIGURA 3.87. DB TOOLS OPEN CONNECTION VI ..................................................................... 163
FIGURA 3.88. DB TOOLS INSERT DATA VI .............................................................................. 163
FIGURA 3.89. DB TOOLS SELECT DATA VI .............................................................................. 164
FIGURA 3.90. DB TOOLS CLOSE CONNECTION VI .................................................................... 164
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xvi
FIGURA 3.91. ESTRUCTURA DE ARREGLO PARA LA BASE DE DATOS. ........................................ 165
FIGURA 3.92. SELECCIÓN DE LOS CASOS PARA LA BASE DE DATOS EN SQL. ............................ 165
FIGURA 3.93. ARREGLO PARA GUARDAR CON UN NOMBRE ESPECIFICO EN LA BASE DE DATOS. 166
FIGURA 3.94. APERTURA DEL BLOQUE DE COMUNICACIONES AL SERVIDOR DE E-MAIL ............ 167
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS Y PRUEBAS
FIGURA 4.1. VALOR OBTENIDO DE LA MEDICIÓN DEL VOLTAJE ALTERNO ................................. 177
FIGURA 4.2. VALOR DE AC MOSTRADO POR EL SISTEMA DE MONITOREO ................................. 178
FIGURA 4.3. VALOR OBTENIDO DE LA MEDICIÓN DEL VOLTAJE CONTINUO ............................... 180
FIGURA 4.4. VALOR DE DC MOSTRADO POR EL SISTEMA DE MONITOREO. ................................ 180
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xvii
ÍNDICE DE TABLAS
CAPÍTULO I
CENTRO DE CONTROL ELÉCTRICO
TABLA 1.1. NIVELES LÓGICOS DE VOLTAJE PARA RS 232C. ............................................. 10
TABLA 1.2. VELOCIDADES DE TRANSMISIÓN DE RS-422A. ............................................... 11
TABLA 1.3. RESUMEN DE NIVELES DE TENSIÓN. .............................................................. 11
TABLA 1.4.TIPOS DE SUELOS SEGÚN LA NORMA IEEE STD 142-1991 .............................. 41
CAPÍTULO II
ESTUDIO DEL CENTRO DE CONTROL ELÉCTRICO
TABLA 2.1. REPRESENTACIÓN CONEXIÓN DE TIERRAS DE LOS EQUIPOS. ........................... 82
TABLA 2.2. DATOS TÉCNICOS NI 6912 USB. .................................................................. 86
CAPÍTULO III
DISEÑO DEL SISTEMA DE SIMULACIÓN DEL CENTRO DE CONTROL
TABLA 3.1. CÁLCULOS DE LOS VOLTAJES EN AC UTILIZADOS EN EL LABORATORIO DE ALTA
TENSIÓN. ............................................................................................... 104
TABLA 3.2. CÁLCULOS DEL VOLTAJE EN AC PRESENTE EN EL EQUIPO DMI 551 DEL
LABORATORIO DE ALTA TENSIÓN. .......................................................... 106
TABLA 3.3. CÁLCULOS DE LOS VOLTAJES EN DC UTILIZADOS EN EL LABORATORIO DE ALTA
TENSIÓN. ............................................................................................... 108
TABLA 3.4. CÁLCULOS DE LOS VOLTAJES EN DC PARA EL EQUIPO DE MEDICIÓN DMI 551
DEL LABORATORIO DE ALTA TENSIÓN. ................................................... 109
TABLA 3.5. CÁLCULOS DE LOS VOLTAJES DEL IMPULSO DEL LABORATORIO DE ALTA
TENSIÓN. ............................................................................................... 111
TABLA 3.6. CÁLCULO DE LOS VOLTAJES DEL IMPULSO PARA EL EQUIPO DMI 551 ........... 112
TABLA 3.7. CÁLCULO DE LOS VOLTAJES DE IMPULSO PARA LA TARJETA DE ADQUISICIÓN. 114
TABLA 3.8. CHISPAS MÍNIMA PARA DIFERENTES GASES. ................................................. 133
TABLA 3.9. RIGIDEZ DIELÉCTRICA EN DISTINTOS TIPOS DE ACEITE ................................. 140
TABLA 3.10. CORRECCIÓN DE DENSIDAD DEL AIRE ........................................................ 143
TABLA 3.11. CARACTERÍSTICAS DE LA VELOCIDAD DE UN CABLE COAXIAL..................... 154
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xviii
TABLA 3.12. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL CABLE COAXIAL ................................. 155
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS Y PRUEBAS
TABLA 4.1. COSTO DE CONEXIÓN ENTRE TARJERA DE ADQUISICIÓN Y EL DMI 551 .......... 169
TABLA 4.2. COSTO DE SENSORES Y CABLES PARA TARJERA DE ADQUISICIÓN. .................. 169
TABLA 4.3. COSTO DE EQUIPO DE VISUALIZACIÓN CENTRO DE CONTROL ......................... 170
TABLA 4.4. COSTO DE LAS HORAS PROFESIONALES. ....................................................... 171
TABLA 4.5. COSTO DE EQUIPOS DE ADQUISICIÓN. ........................................................... 171
TABLA 4.6. COSTO DE GASTOS ADMINISTRATIVOS. ........................................................ 172
TABLA 4.7. COSTOS GENERALES DEL PROYECTO ............................................................ 173
TABLA 4.8. INDICADORES ECONÓMICOS ........................................................................ 173
TABLA 4.9. VALORES DE VOLTAJE ALTERNO DENTRO DEL SISTEMA DE MONITOREO ........ 176
TABLA 4.10. RANGOS DE VOLTAJES .............................................................................. 177
TABLA 4.11. VALORES DE VOLTAJE CONTINUO DENTRO DEL SISTEMA DE MONITOREO..... 179
TABLA 4.12. RANGOS DE VOLTAJES............................................................................... 180
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xix
ÍNDICE DE ANEXOS
ANEXOS…………….. ......................................................................................................... 190
ANEXO 1 CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO DMI 551 .................................................. 191
ANEXO 2 CUIDADOS PERSONALES ............................................................................... 193
ANEXO 3 PLANO LABORATORIO ALTA TENSIÓN ...................................................... 197
ANEXO 4 NORMA 60815 .................................................................................................... 202
ANEXO 5 IEEE STD 4-1995 STANDARD TECHNIQUES FOR HIGH-VOLTAGE
TESTING ...................................................................................................... 205
ANEXO 6 REPORTES .......................................................................................................... 209
GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE EN AC 100KV. ........................ 210
GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE EN AC Y DC. ........................... 211
GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE DE IMPULSO .......................... 212
PRUEBA DESTRUCTIVA DE LA RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL AIRE .................. 213
PRUEBAS DE AISLAMIENTOS DE UN TRANSFORMADOR .................................. 214
PRUEBAS DE ACEITE DE UN TRANSFORMADOR ................................................. 215
DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DIELÉCTRICAS DEL AIRE .... 216
RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL AIRE A DIFERENTES PRESIONES ......................... 217
PRUEBA DE AISLADORES .......................................................................................... 218
PRUEBA DE AISLADORES EN CONDICIONES DE CONTAMINACIÓN ............... 220
PRUEBA DE PARARRAYOS ........................................................................................ 221
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xx
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El laboratorio de Alta Tensión de la Universidad Politécnica Salesiana, Sede Quito,
Campus Kennedy, no cuenta con un sistema SCADA que monitoree y controle las
diferentes señales producidas en los ensayos del laboratorio de Alta Tensión;
consecuentemente no brinda las facilidades de estudio, ya que solo muestra los valores
variantes en el tiempo, producidos por los eventos eléctricos y no permite ver valores
estáticos producidos por cada práctica realizada.
JUSTIFICACIÓN DEL TEMA
Con el estudio de factibilidad de un centro de control del laboratorio de Alta Tensión se
determinarán los equipos necesarios para la adquisición de las señales producidas durante
cada evento eléctrico realizados en los diferentes ensayos en el Laboratorio de Alta Tensión
de la Universidad Politécnica Salesiana, Campus Kennedy. Las metas y resultados se verán
reflejados en la optimización y aprendizaje cooperativo de los estudiantes de Alta Tensión
y protecciones.
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xxi
ALCANCES
Realizar un estudio técnico de los requerimientos para un centro de control.
Realizar el estudio económico para el centro de control.
Se diseñará un sistema de simulación para el centro de control.
Los datos obtenidos se almacenarán en una base de datos dinámicos.
Se generarán reportes WEB.
OBJETIVO GENERAL
Realizar el estudio de factibilidad para un centro de control y monitoreo del Laboratorio de
Alta Tensión de la Universidad Politécnica Salesiana, Campus Kennedy.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar un estudio de los equipos requeridos para el control y monitoreo de las
señales.
Conocer los diferentes tipos de equipos y los parámetros eléctricos que se puede
estudiar en el laboratorio de Alta Tensión.
Realizar una base de datos y generación de reportes Web.
Hacer un sistema de simulación del centro de control.
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xxii
HIPÓTESIS
Con el estudio de factibilidad de un centro de control para el laboratorio de Alta
Tensión de la Universidad Politécnica Salesiana Campus Kennedy, se mejorará el estudio
de los diferentes parámetros eléctricos producidos en el laboratorio, y con estos se
dispondrá de la información necesaria para la elección de los equipos del laboratorio.
MARCO METODOLÓGICO
El trabajo descrito anteriormente se realizará dentro del laboratorio de Alta Tensión
de la Universidad Politécnica Salesiana, Campus Kennedy; es por eso que el método que se
utilizará es el método inductivo, el cual dará resultados visibles a la hipótesis que se ha
planteado, y para ello se realizará una investigación de los dispositivos compatibles para el
laboratorio existente, teniendo en cuenta las características técnicas que éstos deben tener.
Y con el método experimental el cual nos permitirá contrastar con lo anterior.
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xxiii
ESQUEMA DE CONTENIDOS.
CAPÍTULO I
TÍTULO: CENTRO DE CONTROL ELÉCTRICO
1.1. Generalidades del Centro de Control.
1.2. Laboratorio de Alta Tensión de la U.P.S.
1.4. Sistemas de puesta a tierra.
1.3. Normas de Seguridad del laboratorio de Alta Tensión.
CAPÍTULO II
TÍTULO: ESTUDIO DE CENTRO DE CONTROL ELÉCTRICO
2.1. Datos a monitorear.
2.2. Diseño del centro de Control.
2.3. Adquisición de datos.
2.4. Estudio de equipos a implementar.
CAPÍTULO III
TÍTULO: DISEÑO DEL SISTEMA DE SIMULACIÓN DEL CENTRO DE
CONTROL
3.1. Diseño de un sistema SCADA.
3.2. Dimensionamiento del centro de control.
3.3. Dimensionamiento eléctrico de conexiones y protocolos.
3.4. Sistema de monitoreo con base de Datos Dinámica y Reportes Web.
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xxiv
CAPÍTULO IV
TÍTULO: ANÁLISIS Y PRUEBAS.
4.1. Verificación de hipótesis.
4.2. Estudio Costo-Beneficio.
4.3. Factibilidad Técnica.
4.4. Factibilidad Implementación.
4.5. Verificación de datos.
4.6. Reportes.
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xxv
GLOSARIO DE TÉRMINOS
SCADA.- Supervisory Control And Data Acquisition - Control de Supervisión y
adquisición de datos.
PLC.- Controlador Lógico Programable - Controlador lógico programable.
DTE. - Data Terminal Equipment.
DCE.- Data Communications Equipment
ASi.-Actuador /sensor Interface.
SubVI.- Instrumento Virtual secundario del software LabVIEW.
DAQ.- Adquisición de datos.
AC.- Corriente Alterna.
DC.- Corriente Continua.
FDDI.-Fiber Distributed Data Interface - Interfaz de Datos Distribuido por Fibra.
DLP.- Digital Light Processing- Procesado digital de luz.
TFT.- Thin Film Transistor - Transistor de Películas Finas
Fasor.- Es la representación gráfica de un número complejo que se utiliza para representar
una oscilación, de forma que este pueda representar la magnitud y fase de la oscilación.
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xxvi
RESUMEN
En el presente estudio se explicará cuáles son los beneficios que se pueden tener al
implementar un centro de control dentro del laboratorio de Alta Tensión de la Universidad
Politécnica Salesiana, Campus Kennedy. Ya que en el laboratorio actual se realizan pruebas
a equipos de Alta Tensión como: transformadores, pararrayos y aisladores, además también
se pueden demostrar algunas características básicas de la Alta Tensión como lo son las
señales de impulso, características de aire, pruebas bajo diferentes presiones y obtener los
valores de niveles de tensión en AC, DC e impulso.
Al tener un centro de control en el mencionado laboratorio se obtendrá un mejor
conocimiento de las pruebas que se realizan, ya que el monitoreo permitirá obtener las
gráficas correspondientes a cada práctica y mostrar los valores obtenidos por medio de
reportes basados en normas de los equipos a los que se les aplica las pruebas.
Un centro de control debe tener la posibilidad de ampliarse de acuerdo a las necesidades de
del proceso, por lo que el diseño que se efectúo para el centro de control brindará y podrá
ampliarse a futuro, ya que el sistema SCADA tiene la posibilidad de expansión si el
laboratorio de Alta Tensión así lo requiere.
En el estudio se definirán los parámetros de un centro de control en función de los tipos de
control, comunicaciones, tipos de estructuras y condiciones dentro de un laboratorio de Alta
Tensión. Llegando a establecer las características de un centro de control eléctrico y los
parámetros básicos en los que se debe basar el control y monitoreo. Además de analizar los
parámetros básicos que un sistema SCADA debe tener, en función de los parámetros de
estudios propuestos dentro de cada una de las prácticas y sus respectivas normas eléctricas.
Con dicho estudio se pretende dar una alternativa para la optimización de tiempo, recursos
y conocimientos adquiridos dentro de un laboratorio de Alta Tensión en función del ámbito
técnico, económico y de los equipos presentes en el laboratorio.
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1
CAPÍTULO I
CENTRO DE CONTROL ELÉCTRICO
1.1. GENERALIDADES DE UN CENTRO DE CONTROL
El requerimiento de controlar y monitorear los procesos físicamente en lugares de alto
riesgo hacen de los centros de control una buena opción de disponer de un sistema, en el
cual se pueda manipular variables de los procesos eléctricos producidos durante la
generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica, teniendo como base
parámetros básicos de estudio dentro de cada evento eléctrico producido. [1]
Al tener un centro de control donde se pueda dar una lectura confiable y en tiempo real de
todos los procesos se crea seguridad del sistema, además si en este se pueden aplicar
acciones de control sobre los eventos de falla o de maniobra para la ejecución de un
proceso ordenado y sistemático, se obtiene la confiablidad de que el sistema actué de una
forma ordenada y no se produzcan fallas durante en el proceso.
En la actualidad la confiabilidad de estos sistemas se fundamenta en el tiempo de muestreo
y velocidad de respuesta, ya que de estas depende la estabilidad del proceso, y definen la
precisión.
Los centros de control eléctrico se encuentran sujetos a los sistemas SCADA (Supervisory
Control And Data Acquisition), los cuales permiten realizar un control y monitoreo de
cualquier sistema local o remoto más eficientemente. El sistema SCADA se basa
principalmente en una interface gráfica que comunica al operador con el sistema,
facilitando la manipulación en tiempo real, y proporcionando la información del proceso a
diversos usuarios por medio de los protocolos aplicados, en los cuales se pueden distribuir
para operadores, supervisores de control de calidad, supervisión mantenimiento, etc. El
sistema SCADA tiene como base cinco componentes principales los cuales son: una
computadora maestra, una terminal remota, periféricos de comunicación, software de
aplicación, actuadores y transductores. Todos estos componentes ayudan a que se cumpla
con requerimientos del proceso y control de este. [2]
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2
1.1.1.-FORMAS DE CONTROL
El control y monitoreo por computador con los sistemas SCADA facilitan el seguimiento
del estado proceso a través de los sistemas informáticos, ya que estos procesan una gran
cantidad de información, para que los resultados del proceso se vean desplegados en el
sistema de monitoreo, ayudando al operador a tener una buena operación del sistema.
El procesamiento de datos de un centro de control tendrán como fundamentos dos tipos de
señales, las cuales serán analógica y digital; la primera necesita un procesamiento de datos
para su muestreo final, tomando en cuenta las condiciones de trabajo a las que son
sometidas dichas señales; ya que en estas se podría perder o incorporar señales indeseadas,
las mismas que afecten a la señal de control o de monitoreo; y la señal digital que es la más
utilizada en los tiempos actuales, ya que procesa los valores de una mejor manera y permite
el envío en una forma ordenada. En este tipo de señales también se puede perder cierta
información por señales ajenas al proceso las cuales se mezclan dentro de la señal a
monitorear o controlar; pero esto puede ser corregido por filtros los cuales pueden actuar
antes de entregar o disponer de la señal.
En el control asistido por computador se puede:
Tener mayor precisión de los procesos con la obtención de datos más confiables.
Mayor seguridad al tener inconvenientes para corregir errores dentro del proceso.
En el sistema digital es poco probable que existan interferencias, ya que este solo
admite valores lógicos de 0 ó 1.
Brinda una información detallada del control y monitoreo, en forma simultánea y en
tiempo real.
1.1.2.-ESTRUCTURA DE UN CENTRO DE CONTROL
Dentro de la estructura para un centro de control se pueden distinguir tres etapas principales
las cuales permiten de una manera sencilla determinar los elementos que conforman un
centro de control y monitoreo, estos son:
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3
Centro de Control
Comunicaciones
Equipamiento de Campo (Actuadores y Sensores)
1.1.2.1.-CENTRO DE CONTROL
Cada una de las estaciones remotas se comunica permanentemente con un servidor central
el cual envía toda la información generada por el sistema y la computadora principal al
(Servidor) controlando permanentemente al sistema. Además el servidor también contiene
una base de datos con todos los eventos producidos a lo largo del tiempo, permitiendo el
acceso a los datos por los usuarios como se muestra en la figura 1.1.
A partir de los datos obtenidos por las estaciones remotas, se pueden generar informes de
operación de protecciones y eventos eléctricos detallados, los cuales permiten gestionar el
sistema para hacer correcciones, y analizar el comportamiento de un evento eléctrico. [2]
Figura 1.1. Centro de Control 1
Este sistema de control y monitoreo será un medio de gestión y manipulación de los
dispositivos eléctricos, que se encontrarán dentro de una sala de control, en la que se
dispone de una consola de operación, la cual ayuda al operador a mostrar todo los datos del
1
SSS Group, 2011, Sistemas de Visualización y Adquisición de Datos (SCADA),<
http://sss.com.do/wp-content/uploads/2011/10/control_center.jpg> [consulta: 28 de enero
2013]
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4
proceso, y poder controlar este. En el centro de control deben existir pantallas las cuales
permitan visualizar de manera ordenada todos los datos a monitorear.
Dentro de ella, existen servidores los cuales brindan el acceso a los datos recolectados y
procesados por el sistema SCADA, por lo que los servidores deben de contar con los
permisos de acceso a la información, los mismos que facilitan de gran manera la obtención
de la información ya que se puede acceder a esta, en cualquier momento y disponer de los
datos recolectados a voluntad para los casos de estudio. En el centro de control las
comunicaciones juegan un papel importante, ya que se encarga de transmitir por protocolos,
los cuales envían la información de los sensores y actuadores, como una cadena por los
buses de campo hasta llegar a los controladores lógicos y al servidor, en el cual se
almacenan los datos.[3]
1.1.2.2.-COMUNICACIONES
En los centros de control las comunicaciones toman un papel importante ya que se basan en
los sistemas de arquitectura de procesamiento de datos estructurados y dependientes de
modelos de sistemas de control distributivo, todas estas tienen que tener estructuras
dependientes de sistemas de comunicaciones para que cada uno de estos funcione de
manera ordenada. Para conseguir el intercambio de la información, entre dispositivos de
medición y actuación, se necesita de un medio de transporte de energía eléctrica.
A. CABLE ELÉCTRICO
Este es un hilo metálico aislado, el cual ofrece poca resistencia al paso de la electricidad y
se los puede encontrar dos grandes tipos como: [4]
Par.
Coaxial.
Y, de acuerdo a las aplicaciones en el diseño del cable de par, se pueden diferenciar:
Par Simple Paralelo: Utilizado para las transmisiones eléctricas.
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5
Par apantallado: Este es protegido por una malla metálica interna, sin que exista
señales ajenas al sistema, con esto se consigue una buena transmisión de las señales,
analógicas y digitales.
Par Trenzado: Sirve para la transmisión de audio y datos.
Par coaxial: Es un conductor con una malla, que a veces hace de masa y de
protección contra interferencias eléctricas, es utilizado principalmente para las
señales de radio, video y datos.
B. FIBRA ÓPTICA
Este es un medio de transmisión en redes de datos, ya que es un hilo de material
transparente, vidrio o materiales plásticos, en el cual se envían pulsos de luz que simbolizan
los datos a transmitir, luego estos son convertidos a señales eléctricas, para su
manipulación. El haz de luz se propaga por el interior de la fibra con ángulos de reflexión,
este se basa en el principio de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser del tipo láser o un
LED. [4]
“La ley de Snell dice los ángulos de incidencia ( ) y de refracción ( ) están relacionados
mediante esta ley.”2 La ley se muestra en la ecuación (1.1) y en la figura 1.2 [5]
(1.1)
Figura 1.2. Ley de Snell de la Reflexión 3
2 J. D. Peña, “Comunicaciones en el entorno industrial” Biblioteca Multimedia Industria.
Editorial UOC, 2003, pp. 46. 3 Figura propia del autor.
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6
Dónde:
n1 y n2: Son los índices de refracción de los materiales.
Ɵ1: El ángulo de la onda incidente.
Ɵ2: El ángulo de la onda refractada.
Para este tipo de comunicación existen dos tipos de fibras como las Fibras Multimodo y
Fibras Monomodo.
La Fibra Monomodo, tiene una gran capacidad de transporte de información, con una banda
de 100 GHz/km, por lo que se obtiene mayores flujos de información, pero también es la
más compleja al momento de implementar. El haz de luz que viaja por la fibra, tiene un eje
directo de reflexión sobre la fibra y un modo de propagación único. Las fibras poseen el
diámetro del núcleo de igual dimensión que la amplitud de onda de las señales ópticas que
transmiten. Existe una menor dispersión de luz a lo largo de la señal, es utilizada en la
transmisión de datos a larga distancia de varios de miles de metros, la fuente de luz
principal es un láser y su ventaja en las fibras monomodo es su tamaño, pero incluye un
manejo delicado e involucran dificultades en la conexión.
El uso de laser de alta intensidad hace posible que esta fibra pueda transmitir de datos y
enviar grandes tasas de información hasta alcanzar decenas de Gb/s.
Figura 1.3. Fibra Monomodo 4
4 Figura propia del autor.
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7
En una fibra multimodo, los haces de luz pasan por más de un camino, como se muestra en
la figura 1.4, ya que la información de cada dato es enviado en frecuencias distintas. En una
fibra multimodo se puede conseguir más de mil formas de propagación del haz de luz. Se la
utiliza principalmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 1 km y como máxima
es de 2 km; para la transferencia de datos se utilizan diodos tipo láser de baja intensidad.
Esta posee un índice de refracción superior y es mucho más fácil de conectar. [6][7][8]
Figura 1.4. Fibra Multimodo.5
Dentro de la fibra multimodo de índice de gradiente gradual, existen tamaños de diámetro
del núcleo / diámetro de la cubierta normalizado, pero también se pueden encontrar otros
tipos como lo son:
Multimodo de índice escalonado
Multimodo de índice de gradiente gradual
A. Fibra multimodo de índice gradiente gradual
El índice de refracción en el interior del núcleo no es único y disminuye cuando se desplaza
del núcleo hacia la cubierta. Los haces de los rayos de luz se encuentra orientados hacia el
eje de la fibra como se describe en la figura 1.5., por lo que se reduce la propagación entre
los diferentes modos de propagación a través del núcleo de la fibra. [6][7][8]
“Las fibras multimodo de índice de gradiente gradual tienen una banda de paso que llega
hasta los 500 MHz por kilómetro.”6
5 Figura propia del autor.
6 J. D. Cabezas Pozo, "Sistemas de Telefonía", Ediciones Paraninfo, S.A., 2006, p. 168.
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8
Figura 1.5. Fibra multimodo de gradiente gradual. 7
B. Fibra multimodo de índice escalonado
Este tipo de fibra tiene como material el vidrio y el plástico. El núcleo es de un material
similar, el índice de refracción es superior a la que la rodea, dentro de la figura 1.6 se puede
observar el la propagación del haz de luz.[8]
Figura 1.6. Fibra multimodo de gradiente escalonado. 8
La fibra multimodo, puede llegar a tener más de mil formas de propagación de luz, por lo
que se las puede clasificar por su ancho de banda como: [9]
OM1: Fibra de 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), se utilizan
diodos tipo LED como emisores
OM2: Fibra de 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), se utilizan
diodos tipo LED como emisores
OM3: Fibra de 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit Ethernet (300 m), se utilizan
diodos láser (VCSEL) como emisores.
7 J. D. Cabezas Pozo, "Sistemas de Telefonía", Ediciones Paraninfo, S.A., 2006, p. 168.
(modificada por el autor) 8 Ídem. (modificada por el autor)
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9
OM4: Fibra de 50 µm con mayor ancho de banda para Ethernet, FibreChannel y
OIF, esta puede alcanzar una distancia mayor a los 550 metros a 10 Gb/s para
conexiones de área local dentro de grandes edificios y campus de media distancia,
se usan diodos tipo laser.
1.1.2.2.1. SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE LA SEÑAL
Son elementos como cables y adaptadores, que se utiliza para transmitir una señal de un
lugar a otro. La señal puede ser transmitida de forma eléctrica, óptica o de radiofrecuencia
de acuerdo a las necesidades del sistema, además dependerá del tipo de protocolo y bus de
campo a utilizar, para ello; existen diferentes niveles de tensión estandarizados para cada
una de estos protocolos. [10]
Dentro de los niveles de tensión se pueden encontrar del tipo analógico o digital teniendo
como base los siguientes:
A. RS 232C (V24)
En 1980 la industria de las PC encontró el estándar RS-232-C más barato. El RS-232-C se
estableció como un nuevo estándar para conectarse con las computadoras, impresoras,
terminales y otros dispositivos, para realizar varios tipos de comunicación y otras PC. Por
lo que este estándar soporta velocidades de transmisión hasta 20 Kbps y con distancias
hasta 16 metros, con una transmisión sincrónica y asincrónica. [11][12]
"En 1960 esta técnica fue adoptada por la IEA (En Electronics Industries Association) y la
recomendación 232, versión C, fue publicada en 1969, denominándose RS-232C."9
Ya que cada fabricante utilizaba una interfaz diferente para comunicarse este era un DTE
(Data Terminal Equipment) y un DCE (Data Communications Equipment). Ya que los
elementos eléctricos como: cables, conectores y niveles de voltaje eran diferentes al
momento de realizar las conexiones, la conexión entre equipos de diferentes fabricantes se
realizaba con el uso de convertidores de niveles de voltaje, la fabricación de los cables y 9 J. D. Peña, "Comunicaciones en el entorno industrial”, Biblioteca Multimedia Industria.
Editorial UOC, 2003, p. 258.
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10
conectores exclusivos eran de acuerdo a cada equipo. En la tabla 1.1 se muestran los
niveles lógicos aplicados dentro de la interfaz RS-232C. [11][12]
Tabla 1.1. Niveles lógicos de voltaje para RS 232C.
Señales de datos 0 1
Emisor (necesario) de 5 a 15 Voltios de -5 a -15 Voltios
Receptor (esperado) de 3 a 25 Voltios de -3 a -25 Voltios
Señales de control OFF ON
Emisor (necesario) de -5 a -15 Voltios de 5 a 15 Voltios
Receptor (esperado) de -3 a -25 Voltios de 3 a 25 Voltios
B. RS.422A
A esta interface, se la conoce como un tipo de interface para circuitos eléctricos
balanceados diferenciales, ya que usan voltajes diferenciales balanceados, estas señales son
mostradas en la figura 1.7; y admite transmitir varios Mbps a más de 1000 m. Esta se lo
realiza por medio de un transmisor diferencial, el cual emite señales gemelas de igual
voltaje y con polaridad opuesta por cada bit 1 ó bit 0, y el receptor es sensible sólo a la
diferencia entre las dos señales, por lo que el ruido que se filtra en los hilos no afectará la
acción del receptor. [13][14][15]
Figura 1.7. Descripción de Señales Individuales. 10
10
Figura propia del autor.
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11
Dentro de la tabla 1.2 se muestran las velocidades y longitudes admitidas por esta interface
RS-422A.
Tabla 1.2. Velocidades de transmisión de RS-422A.
TIPO DE SEÑAL longitud(M) Velocidad Max de Transmisión
RS-422A/V.11(terminada)
10 1 Mbps
100 100 Kbps
1000 10 Kbps
RS-422A/V.11(No terminada)
10 10 Mbps
100 1 Mbps
1000 100 Kbps
C. RS-485
Es un bus de transferencia, el cual maneja velocidades de 35 Mbps con distancias de 10 m y
19,2 Kbps en 1.200 metros. El medio físico de transmisión es un par entrelazado de un solo
hilo, con una distancia máxima de la comunicación half-duplex (semiduplex). Soporta 32
transmisiones y 32 receptores. La transmisión es del tipo diferencial, permite múltiples
conexiones dando la posibilidad de una configuración multipunto. [16][17]
Para cada uno de los protocolos existen diferentes tipos de voltajes por lo se tiene un
resumen de cada una de estas interfaces dentro de la tabla 1.3.
Tabla 1.3. Resumen de niveles de tensión. 11
Tipos Señal Elementos Distancia(m) Velocidad (Kbits/s)
RS232 Asimétrica 1 15 20
RS422 Simétrica 10 1200 10000
RS485 Simétrica 32 50 10000
11
J. D. Peña, "Comunicaciones en el entorno industrial”, Biblioteca Multimedia Industria.
Editorial UOC, 2003, p 260.
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12
1.1.2.2.2. MODOS DE TRANSMISIÓN DE DATOS
Esta se da por dos formas, una por señal analógica y otra por señal digital, como se describe
a continuación:
A. TRANSMISIÓN ANALÓGICA
Se caracteriza por el intercambio continuo de la señal, esta se encuentra entre los valores de
4 y 20 mA. En una señal analógica, la información es limitada, por lo que el valor de la
corriente y la falta de la misma pueden ser determinantes para errores en la señal.
B. TRANSMISIÓN DIGITAL
Su principio es una comunicación de bits de forma discreta, la cual es decodificada antes de
ser enviada por el canal de comunicación, en esta se la reconoce por los valores lógicos 0 y
1. Llegando a una transferencia de información por un canal entra dos o más equipos, se la
puede describir con las siguientes características
La dirección de puertos o direcciones, específicas ya sean por canales analógicos o
digitales.
Por el número de bits enviados simultáneamente y su codificación.
La sincronización entre el transmisor y el receptor es fundamental para la
transmisión de datos
Niveles de tensión y velocidades de transmisión
1.1.2.2.3. TIPOS DE CONFIGURACIONES DE CONEXIONES
Existen 3 modos de transmisión diferentes caracterizados de acuerdo a la dirección de los
intercambios:[18][19]
A. CONEXIÓN SIMPLEX
En esta los datos se envían por una sola dirección, desde el transmisor hasta el receptor
como se muestra en la figura 1.8. Este tipo de conexión es útil, ya que solo se envían la
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13
información sin que esta sea interrumpida por la repuesta del receptor, y no existan errores
en las acciones.
Figura 1.8. Envió de mensaje en una sola dirección.12
B. CONEXIÓN SEMIDÚPLEX (HALF DUPLEX)
Los datos se envían de una u otra dirección, pero no las dos al mismo tiempo como se
muestra en la figura 1.9. Ya que cada extremo de la conexión transmite uno después del
otro, esperando la señal del último para poder comenzar a enviar datos. Este tipo de
conexión hace posible tener una comunicación bidireccional, utilizando toda la capacidad
de la línea. Pero con retrasó en la información.
Figura 1.9. Envió de mensaje de una dirección a otra.13
C. CONEXIÓN FULL DÚPLEX
En esta los datos se envían paralelamente en ambas direcciones y cada extremo de la
conexión puede transmitir y recibir al mismo tiempo a diferentes frecuencias de transmisión
como se muestra en la figura 1.10; ya que el ancho de banda se divide en dos para cada
dirección de la transmisión de datos.
12
Figura propia del autor. 13
Ídem.
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14
Figura 1.10. Envió de mensaje de una dirección a otra por el mismo canal.14
1.1.2.2.4. TRANSMISIÓN EN SERIE
Esta se basa, en la cantidad de información en bits que se pueden enviar simultáneamente
por los canales de comunicación. Los procesadores actuales, procesan una gran cantidad de
bytes por segundos. [20][21]
Los datos se transmiten de a un byte por vez, y por un solo canal; llega a ser lenta ante la
transmisión paralela, ya que solo envía un byte a la vez, pero eficiente ya que su costo es
menor, porque el byte se envía por un solo cable, como se muestra en la figura 1.11 y puede
manejar mayores distancias sin que exista caídas de tensión.
Figura 1.11. Envió de bits por un canal.15
Para la comunicación sincrónica y asincrónica se la realiza por un solo canal, teniendo
como principio a la sincronización que debe existir entre el emisor y el receptor; ya que
estos pueden tener la misma señal de sincronización o diferentes. Existen dos tipos de
transmisiones que son:
14
Figura propia del autor. 15
Ídem.
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15
A. TRANSMISIÓN ASINCRÓNICA
Esta se basa en una cadena de bits que se envía en intervalos de tiempos diferentes, ya que
estos no se encuentra sincronizados, por esa razón cada transmisión es precedida por un bit
o cadena que indica el inicio de la transmisión, y para terminar la transmisión se tiene un bit
o cadena al final de la transmisión, este se denomina bit de “Finalización”, pero además
pueden haber varios “bits de Finalización”.
B. TRANSMISIÓN SINCRÓNICA
El transmisor y el receptor están sincronizados con el mismo reloj. El receptor recibe con la
misma velocidad que el transmisor, ya que los bits son enviados sucesivamente. En esta
cadena de bits debe contar con la información necesaria para sincronizar los relojes del
emisor y receptor dentro de la trama que se envíe, además soporta velocidades de
transmisión entre los 1200 baudios.
1.1.2.2.5. TIPOS DE REDES DE ACUERDO A LA DISTANCIA DE COBERTURA
Existen diferentes tipos de redes las cuales se clasifican de acuerdo a la distancia de
cobertura, en las que podemos tener las siguientes: [34] [36]
A. LAN (Local Area Network)
La Red de Área Local, es la que conecta con varios dispositivos en una red local definida
por la distancia de propagación de la señal, las LAN, utilizan las tecnologías Ethernet,
Token Ring, FDDI para conectividad, básicamente este se consigue por tres medios de
comunicación los cuales son:
Coaxial hasta 500 metros.
Par trenzado hasta 90 metros.
Fibra óptica decenas de metros.
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16
B. CAN (Campus Area Network)
La red de área de Campus son pequeñas redes LANs dispersas geográficamente dentro de
un sitio, cada una de estas pertenece a una sola red, equivalente a la configuración árbol.
Esta utiliza tecnologías como FDDI y Gigabit Ethernet para conectividad a través de
medios de comunicación tales como fibra óptica y tecnología inalámbricas.
C. MAN (Metropolitan Area Network)
La Red de Área Metropolitana es la unión de LANs o CANs extendidas a lo largo de una
ciudad. Este tipo de red utiliza tecnologías tales como ATM, Frame Relay, etc. pero
principalmente se encuentra conectadas a una red principal y formando una estructura del
tipo árbol.
D. WAN (Wide Area Network)
La Red de Área Local es la unión de LANs dispersadas geográficamente a cientos de
kilómetros una de otra. Permitiendo conectar a redes de compañías de comunicaciones
entre países, basándose en los medios de comunicación como: fibra óptica, microondas,
celular y satélite.
E. WLAN Y WPAN
Estas son las primeras del tipo wireless Local Area Network, están definidas por la
distancia de propagación y de la tecnología empleada.[36]
Las WLAN usan tecnologías como IEEE 802.11a, b, g, n, HiperLAN2, HomeRF,
etc. para conectividad, a través, de espectro disperso con rangos de 2.4 GHz y 5
GHz
Las WPANs Wireless Personal Area Network, se las puede diferencias por el rango
de cobertura que tienen desde los 30 metros hasta los 100 metros en condiciones
óptimas en interiores. Dentro de este tipo de tecnologías, se pueden encontrar las
IEEE 802.15, Bluetooth, para la conectividad.
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17
1.1.2.2.6. TIPOS DE TOPOLOGÍAS
La topología se define como la disposición de los diferentes equipos alrededor del medio de
transmisión de datos, cada una de estas se caracteriza de acuerdo a su forma de transmitir
frente a las fallas o problemas de comunicación que estas tenga con respecto a la
comunicación dentro de la red. [37][38]
A. REDES CENTRALIZADA
Todos los equipos se encuentran conectados a un equipo central que es capaz de controlar
el sistema y controlar a los demás, brindándoles las opciones de manipular o solo
monitorear un proceso. Este equipo debe de contar con una buena infraestructura ya que de
este dependerá toda la red, si este colapsa la red deja de funcionar. [38]
B. REDES DISTRIBUIDAS
En estas redes los equipos pueden compartir los datos, distribuir el procesamiento de datos
y respaldarlos, ya que en este no existe un equipo principal, si una falla no afecta al sistema.
[38]
Las configuraciones básicas que se pueden encontrar son las siguientes:
Anillo
Árbol
Bus
Estrella
Red
Dentro de la clasificación de las redes, se pueden encontrar tipos de topologías o
distribuciones que tiene los equipos como lo son: las computadoras y equipos de
comunicación que se encuentran dentro de un espacio físico en la red. [39]
A. RED EN ANILLO
Esta se basa principalmente, en que las estaciones se encuentran conectadas en forman de
un anillo como se muestra en la figura 1.22. Cada estación está acoplada a la siguiente y la
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18
última se conecta a la primera cerrando el anillo. El modo de enviar información se basa en
permisos de cada una de las estaciones, ya que los datos enviados o consultas deben pasar
bajo permisos o autorizaciones de cada una de las estaciones, la señal no se disminuye ya
que cada una de las estaciones equivale a una repetidora. [38] [39]
Si alguna estación deja de funcionar la red deja de funcionar, el gran problema es la de
añadir equipos nuevos, ya que si esta se le añaden estaciones, la red deja de operar.
Figura 1.22. Red anillo16
B. RED EN ÁRBOL
Las estaciones están en forma de árbol, esta puede ser la mezcla de topologías como red,
bus y estrella como se muestra en la figura 1.23, esta se compone de estaciones esclavos y
uno principal o solo principales. Si fallase alguno de los esclavos la red no se verá afectada,
ya que se comparte el mismo canal para cada estación. [38]
16
Figura propia del autor.
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19
Figura 1.23. Red en árbol.17
C. RED EN MALLA
Permite la conexión entre dos o más estaciones de la red, por lo que resulta mucho más
fácil la interconexión de la información, esta se demuestra en la figura 1.24, pero tiene una
ventaja, ya que al caerse la comunicación con cierta estación, esta puede encontrar otro
camino para comunicarse, es una de las más costosas, ya que requiere de infraestructura de
comunicación. [38] [39]
Figura 1.24. Red en malla.18
D. RED EN BUS
No requiere de grandes cantidades de cable para su implementación, ya que esta con
unidades derribadoras. Posee una gran velocidad de trasmisión de datos, las
comunicaciones entre los equipos no requieren de sincronización, la salida de uno, no
afecta al sistema.
17
Figura propia del autor. 18
Ídem.
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20
"El modo de la transmisión es aleatorio, un equipo transmite cuando lo necesite. Si hay
trasmisiones simultáneas (colisiones), unos algoritmos especiales solventan el problema".19
La gran desventaja de esta topología es que todas las estaciones se encuentran conectadas a
un solo bus y estas pueden tener problemas de seguridad, ya que todos los dispositivos de la
red pueden ver todas las señales de todos los demás dispositivos, pero a su vez favorable,
ya que todos los equipos pueden tener los mismos datos, en estas redes se tiene problemas
de sobrecarga de la red, haciéndola lenta frente a las otras, es utilizada en redes comunes
como: LAN, hub o swich a esta se la puede representar en la figura 1.25. [38] [39]
Figura 1.25. Red en bus. 20
E. RED EN ESTRELLA
Las estaciones están conectadas directamente al servidor u ordenador y todas las
comunicaciones se las realizan en un punto en común, como se muestra en la figura 1.26.
Todas las estaciones están conectadas por separado a un centro de comunicaciones o nodo
central, pero no están conectadas entre sí. Ya que el hub o concentrador se encarga de
gestionar la distribución de la información a los demás puntos de la red. La ventaja de este
tipo de red es que si alguno de los equipos fallan la red no se ve afectada. Su lugar más
débil de este tipo de red es el hub o concentrador, ya que es el que soporta la red. [38] [39]
19
A. Rodríguez Penin, "Sistemas SCADA", Marcombo, S.A,.2ª ed., 1ª imp. (2007).p 267. 20
Figura propia del autor.
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21
Figura 1.26. Estrella.21
1.1.2.3. EQUIPAMIENTO CON LOS BUS DE CAMPO
Es un sistema de transmisión de información primordial, en el cual se delimitará las
posibles soluciones o casos de trasmisión sobre una red de comunicaciones, ya que cada
una cuenta con características que favorecerán a la conexión de los dispositivos de campo
con actuadores y sensores, cada uno puede reflejar de una manera ordenada lo que ocurre
dentro de un sistema, toda la información obtenida se concentrara en el controlador
principal para el control y monitoreo del PLC, PC, etc.; a fin, de que los datos sean
transferidos a un servidor principal para su almacenamiento. Cada dispositivo, puede llegar
a conectarse con otros e intercambiar información en caso de que estos lo requieran para
mejorar el proceso. [22]
Los protocolos de comunicaciones más comunes son:
AS-i Control Discreto
Profibus Control Discreto y Control de Procesos
Ethernet Control Discreto y Control de Procesos
21
Figura propia del autor.
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22
1.1.2.3.1. AS-INTERFACE (AS-I)
Fue creado en 1990 y es un Bus de Sensores y Actuadores, basándose en un estándar
internacional IEC 62026-2 y europeo EN 50295 en sus primeras versiones para el uso
dentro de campo.[25]
"El bus ASi (Actuador /sensor Interface) es una red de campo pensada para
conectar sensores y actuadores, de tipo (on/off) sin armario de distribución, caja borneras
y por debajo de los niveles de los buses de campo clásicos".22
La idea original fue inicialmente por siemens como una opción económica del cableado
tradicional, esta puede darse como una estructura en tipo bus, estrella, árbol o en anillos
como se muestra en la figura 1.12. El diseño de este evita errores de la polaridad al conectar
nuevos esclavos a la red. [23]
La incorporación o eliminación de elementos sobre la red, no requiere la modificación del
cable. Árbol
Figura 1.12. Configuraciones básicas de una red 23
22
J. D. Peña, "Comunicaciones en el entorno industrial", Biblioteca Multimedia Industria.
Editorial UOC, 2003, p. 155. 23
A. Rodríguez Penin, "Sistemas SCADA". 2ª edición. Marcombo, S.A., 1ª imp. (2007). p.
323.
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23
A. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
El bus AS-i está presente en los sensores y actuadores con el PLC O PC situados en los
niveles de control junto a los procesos, o estaciones de la red AS-Interface con otras redes
de nivel superior.[23][24][25]
Se fundamenta principalmente en la conexión de sensores y actuadores binarios, ya que esta
transmisión permite el ahorro de cableado induciendo la transmisión de datos y
alimentación, ya que solo requiere de dos cables este bus.
Entre las características principales de este bus tenemos las siguientes:
El cable específico para AS-i es de color Amarillo, es auto regenerarte y está
diseñado para evitar su incorrecta polarización.
Tiene una gran flexibilidad de topologías, que facilita el cableado de la instalación.
Es un sistema mono maestro y un protocolo de comunicación con los esclavos muy
sencillo de implementar.
Ciclo del bus rápido con un máximo de tiempo de ciclo 5 ms con direccionamiento
estándar y 10 ms con direccionamiento extendido.
Hasta 124 sensores y 124 actuadores binarios con direccionamiento cerrado.
Hasta 248 sensores y 186 actuadores binarios con direccionamiento abierto.
Longitud máxima del cable de hasta 100 m uniendo todos los tramos, o hasta 300 m
con repetidores.
La principal característica de este protocolo es manejar en su mayoría salidas y entradas
digitales, en ciertos casos maneja las señales analógicas; pero contiene una forma específica
para la comunicación con el maestro de acuerdo a lo que este le pida en la comunicación.
La comunicación es de maestro a esclavos, como se muestra en la siguiente figura 1.13.
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24
Figura 1.13. Control de acceso al medio AS-i.24
“La comunicación se basa, en la llamada que envía el maestro pidiendo información y el
número de esclavo respondiendo la llamada del maestro.” 25
El tipo de estructura se muestra en la figura 1.14
Figura 1.14. Trama AS-i26
Siendo para el caso del maestro, se lo representa en la figura 1.15.
Figura 1.15. Trama maestro AS-i.27
ST Bit de comienzo, siempre en 0
24
J. D. Peña, "Comunicaciones en el entorno industrial", Biblioteca Multimedia Industria.
Editorial UOC, 2003, p. 163. 25
D. Bailey, E. Wrigt, “Practical Data Communications for Instrumentation and Control",
Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, pp 259-260. 26
D. Bailey, E. Wrigt, “Practical Data Communications for Instrumentation and Control",
Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, pp 259-260. 27
Ídem.
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25
SB Bit de control
0 Petición de datos / parámetros /dirección
1 Llamada a comandos (Función M1)
A4…A0 Dirección de los esclavos solicitados
I4 Bits de información
0 Petición de datos
1 petición de parámetros
I3…I0 Bits de datos netos (4 bits)
PB Bit de paridad
EB Bit de Finalización, siempre en 1
Para la trama del esclavo, se lo puede representar en la figura 1.16.
Figura 1.16. Trama de respuesta del esclavo AS-i.28
ST Bit de comienzo, siempre en 0
I3…I0 bits de datos netos del esclavo
PB bit de paridad
EB Bit de finalización, siempre en 1
28 D. Bailey, E. Wrigt, “Practical Data Communications for Instrumentation and Control",
Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, pp 259-260.
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26
1.1.2.3.2. PROFIBUS
Es un estándar de comunicaciones, diseñado para el uso industrial. Donde su definición se
basa en las palabras PROcess FIeld BUS, cuyo significado es: bus de campo para un
proceso.
"Es una arquitectura de comunicaciones desarrollada en el año de 1987 por las
firmas alemanas Bosch Klockner Moller Siemens (posteriormente se suman ABB, AEG la
organización técnica estatal VDE y otras)."29
Dentro de este tipo de protocolo, tenemos que el Profibus tiene tres versiones o variantes:
[26] [27]
Profibus-DP
Profibus-PA
Profibus-FMS
A. PROFIBUS-DP
También conocida como Periferia Distribuida. Está se encuentra diseñada para la
transmisión en alta velocidad entre dispositivos maestro / maestro y maestro / esclavos
dentro de una red industrial. Con un intercambio de datos cíclicos. Ya que se basa
principalmente en la transferencia de grandes cantidades de datos. Basado para la
comunicación entre los sistemas de control de automatismos y las entradas / salidas
distribuidas en procesos. Dentro de esta existen tres versiones las cuales son: [26] [27]
La Periferia Distribuida Versión 0 proporciona las funciones básicas de un protocolo de
comunicaciones; incluyendo transferencia cíclica de datos, análisis de las estaciones,
módulos y canales, y soporte de interrupciones frente a fallas.
29
J. D. Peña, "Comunicaciones en el entorno industrial”, Biblioteca Multimedia Industria.
Editorial UOC, 2003, pp. 136.
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27
“El tiempo de bus es de unos 10 milisegundos (10 estaciones con 128 bytes de e/s
10240 señales E/S a 12 Mbit/s tiene un tiempo de ciclo de bus de 2 milisegundos), La
velocidad va desde 9600 a 12 Mbits sobre cobre o fibra óptica y pude llegar a 12 Km de
distancia.”30
Esta versión tiene la ventaja de detectar las posibles averías dentro del proceso, que se
pueden presentar en la estación principal, además saber acerca de fallos al estado general de
la estación, el diagnostico de módulos, canales de comunicación o fallos en entradas y
salidas.
La Periferia Distribuida Versión 1 adiciona la comunicación de datos, y es orientada a la
transferencia de medidas de operación y visualización con una modalidad en el acceso
remoto a estaciones ajenas al controlador principal, teniendo base las opciones de
programación o diagnóstico de este, se lo describe en la figura 1.17.
"Aparece en 1997, englobado en las características de Profibus DP. Versión 0 y
añadiendo presentaciones encaminadas a la automatización de procesos, como la
comunicación a cíclica (parametrización, visualización y control de dispositivos
inteligentes)".31
Figura 1.17. Sistema multimaestro. 32
30
J. D. Peña, "Comunicaciones en el entorno industrial”, Biblioteca Multimedia Industria.
Editorial UOC, 2003, p 328. 31
A. Rodríguez Penin, "Sistemas SCADA". 2ª edición. Marcombo, S.A., 1ª imp. (2007). p
329. 32
Ídem. p. 330. (modificada por el autor)
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28
La Periferia Distribuida Versión 2, se debía enviar primero al maestro, para luego ser
enviada al esclavo y procesarla para que continúe el otro esclavo, la comunicación se la
realiza también, con los esclavos permitiendo mejorar la calidad del proceso como se
muestra en la figura 1.18. [26][27]
"Aparece en el 2002, complementa los niveles anteriores mediante nuevas
posibilidades de control de motores y sistemas de seguridad (comunicaciones esclavo-
esclavo, modo isócrono y gestión de reloj)."33
Figura 1.18. Comunicación directa. 34
Con el modo isócrono, se permite el control del sincronismo para los relojes del maestro y
esclavo, permitiendo una mayor comunicación en los procesos, y la gestión de reloj brinda
a todos los esclavos una sincronización de las señales para la sincronización del sistema y
un mejor control de los eventos.
B. PROFIBUS-PA (Automatización de Procesos)
Es conocida como la automatización de procesos, es un desarrollo de Profibus-DP con una
tecnología capaz de trabajar en ambientes peligrosos y con riesgo de explosión.
33
A. Rodríguez Penin, "Sistemas SCADA". 2ª edición. Marcombo, S.A., 1ª imp. (2007). p
330. 34
Ídem. p. 331. (modificada por el autor.)
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29
Permite la conexión de sensores y actuadores en un bus común en zonas protegidas como
se muestra en la figura 1.19. Para una mayor confiabilidad de este bus, se da la
comunicación de datos y energía mediante 2 conductores. [27][28]
Figura 1.19. Acople de segmentos DP y PA. 35
C. Profibus-FMS (Mensajes Específicos de Campo)
El protocolo de comunicaciones se encuentra diseñado para comunicaciones de propósito
general, supervisión y configuración, como se puede apreciar en la figura 1.20. Además de
la transmisión de grandes cantidades de datos de programas y bloques de datos. [29]
“Diseñado para un gran número de aplicaciones y comunicaciones entre los PC´s y
PLC´s para una comunicación entre sí. Con un tiempo de ciclo menor de 100 ms, también
permite acceder a dispositivos de campo en zonas con riesgo de explosión (perfil PA
intrínsecamente seguro) mediante el correspondiente acoplador FMS/PA Link.”36
Este tipo de protocolo puede reunir a las diferentes versiones del Profibus.
35
J. D. Peña, "Comunicaciones en el entorno industrial”, Biblioteca Multimedia Industria.
Editorial UOC, 2003, p. 139 (modificada por el autor.) 36
J. D. Peña, "Comunicaciones en el entorno industrial”, Biblioteca Multimedia Industria.
Editorial UOC, 2003, p. 139.
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30
Figura 1.20. Profibus con los tres perfiles. 37
Las conexiones que Profibus son de cinco diferentes tipos de tecnologías de transmisión,
que son identificadas como:
RS-485. Utiliza un par de cobre trenzado apantallado, y permite velocidades entre
9.6 kbps y 12 Mbps con 32 estaciones, o más si se utilizan repetidores.
MBP y MBP IS. Utiliza una transmisión sincrónica con una velocidad fija de 31.25
Kbps.
RS-485 IS. Las versiones IS son básicamente seguras, utilizadas en zonas de alto
riesgo.
Fibra óptica del tipo multimodo y monomodo, fibra plástica y fibra HCS (Hard Clad
Silica) para redes de hasta 500 m del tipo industrial.
Los tipos de comunicaciones que el protocolo Profibus utiliza suelen ser maestro-esclavo, y
tiene las siguientes ventajas dentro del campo de aplicación:[26][27][28]
Aplicaciones como mono maestro, ya que solo existe un maestro en el bus,
usualmente un PLC y los demás dispositivos son esclavos. Con este esquema se
reduce los tiempos de operación de lectura.
37
J. D. Peña, "Comunicaciones en el entorno industrial", Biblioteca Multimedia Industria.
Editorial UOC, 2003, p. 140. (modificada por el autor.)
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31
Aplicaciones como multimaestro, ya que existen dentro del bus más de un maestro,
esto hace que el proceso se descentralice, haciendo que cada maestro tenga
diferentes esclavos u otro tipo de módulos de diagnóstico y otros.
Dentro del estado multimaestro, puede haber dos tipos de maestros los cuales son:[29]
DP Master Class 1. Es un controlador central que cambia información con sus
esclavos en forma cíclica.
DP Master Class 2. Son estaciones de operación, conectadas al bus principal, pero
no mantienen su conexión permanentemente.
Este tipo de protocolo tiene las siguientes características:
Velocidades de transmisión están dadas desde: 9.6, 19.2, 93.75, 187.5, 500,
1500, 3000, 6000 y 12000 Kbps.
Un número máximo de estaciones de 127 con repetidores y como máximo 32
sin el uso de repetidores.
Distancias máximas desde 93.75 KBaudios con 1200 metros, 187.5 KBaudios
con 600 metros 500 KBaudios con 200 metros.
Las estaciones pueden llegar a ser del tipo maestros o esclavos.
1.1.2.3.3. ETHERNET
Esta fue desarrollada en 1972 ideada por Roberto Metralfe y otros investigadores de Xerox;
Ethernet, fue conocido como Ethernet II o IEEE 802.3, hoy es la más común dentro de las
redes actuales. El estándar 802.3 emplea una topología tipo bus y una topología física del
tipo estrella o bus. Ethernet se encuentra apto para transmitir datos a través de una red con
una velocidad de 10 Mbps por segundo o de acuerdo a la tecnología implementada. [30]
La versión experimental del Ethernet tenía las siguientes características:
Una velocidad de transmisión de 2.94 Mbps.
Longitud de enlace de 1 segmento de 1 kilómetro.
Un número de nodos menor que 300.
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32
Las redes locales, estuvieron estandarizadas para la década de los 80 y se comenzó a
desarrollan las normas IEEE para las redes locales CSMA/CD. Dentro de esta bus existen
cinco estándares fundamentales de Ethernet los cuales son: [30][31][33][35]
10Base5
10Base2
10BASE-T
Fast Ethernet 100BaseVG
100BaseX
Cada estándar, define el uso del tipo de cable de red, los detalles de la longitud y la
topología física que debe utilizarse para conectar nodos en la red. Lo fundamental de este
tipo de comunicación es su trama como se muestra en la figura 1.12, a través de esta, se
pueden comunicar de una manera rápida y ordenada diferentes dispositivos de una red. [32]
Figura 1.21. Formas de trama Gigabit Ethernet. 38
1.2. INTRODUCCIÓN AL LABORATORIO DE ALTA TENSIÓN DE LA U.P.S.
El laboratorio Alta Tensión, está situado dentro de las instalaciones de la Universidad
Politécnica Salesiana, Campus Kennedy, en los laboratorios de Ingeniería Eléctrica, en la
actualidad el laboratorio está operando y cuenta con lo necesario para la realización de las
prácticas, además de contar con las facilidades para el acceso y el espacio actual es el
apropiado para la implementación de un Centro de Control y Monitoreo; Tomando en
38
M. Miralles Aguiñiga, J. Lázaro Laporta, “Fundamentos de Telemática”, Universidad
Politécnica de Valencia. Servicio de Publicaciones, 1ª ed., 1ª imp. (01/2002), p. 176.
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33
cuenta que en este se realizarán pruebas eléctricas con fines pedagógicos y pruebas de
control de calidad. La seguridad dentro del laboratorio de Alta Tensión, debe ser lo primero
en tomar en cuenta, ya que los procesos eléctricos son desarrollados tomando en cuenta
normas de seguridad para los equipos y personas. Además se deberá enfatizar los elementos
principales que componen la área interna y externa.
1.2.1. LABORATORIO ÁREA INTERNA
Dentro de este tenemos como elementos principales: la jaula de Faraday, kit de Alta
Tensión (Equipo para Realizar las Pruebas) y el sistema de puesta a tierra, todos los
mencionados juegan un papel importante dentro de las prácticas realizadas, como de la
seguridad del personal que se encuentre dentro del laboratorio. Con lo que se puede
mencionar de una manera más específica los siguientes elementos:
Jaula de Faraday
Transformador
Autotransformador
1.2.1.1. JAULA DE FARADAY
Su nombre se debe al nombre del físico Michael Faraday, ya que una jaula de Faraday es
estructura metálica que encierra los campos eléctricos estáticos. Se emplea para proteger de
las descargas eléctricas
La jaula de Faraday se basa en las propiedades del equilibrio electrostático, ya que la
estructura se encuentra sometida a un campo electromagnético externo, el cual se polariza
positivamente en la dirección campo electromagnético, y cargado negativamente en el
sentido contrario. Con lo cual se genera un campo magnético opuesto al campo
electromagnético externo, haciendo que se anule. [40][41]
Como en el interior de la jaula de Faraday se producen por cada práctica grandes campos
electromagnéticos, estos deben ser aislados para que no afecten a los equipos electrónicos y
al ser humano, estos deben ser retenidos, para luego ser descargados a tierra en caso de
presentarse una falla.
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34
1.2.1.3. TRANSFORMADOR
Es un equipo eléctrico que permite aumentar o disminuir el nivel de tensión en un circuito
eléctrico de corriente alterna, este principio se da por el flujo electromagnético que circula a
través de las bobinas del transformador. Este equipo se encuentra construido por dos o más
bobinas, una primaria y otra como secundaria, de un material conductor y aisladas entre sí
eléctricamente, por lo general las bobinas son envueltas en un torno y con un núcleo de
material ferromagnético en común como se muestra en la figura 1.27. La conexión entre las
bobinas hace que exista un flujo magnético común que se forma en el núcleo.
Figura 1.27. Conexiones internas del transformador.39
Al aplicar una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, circulará una corriente
alterna que creará un campo magnético variable. Este campo magnético, producirá una
inducción electromagnética, por lo cual se tendrá un voltaje en los devanados del
secundario. Por lo que se obtiene una relación de transformación, en función del voltaje
aplicado, con respecto al número de vueltas como se muestra en la ecuación 1.2: [42]
(1.2)
39
G. E. Harper, “El libro práctico de los generadores, transformadores y motores
eléctricos”, LIMUSA, 2000, p. 30.
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35
Dónde:
Vp: es la tensión de entrada.
Vs: es la tensión en el devanado secundario o tensión de salida
Np: son el número de vueltas en el primario.
Ns: son el número de vueltas en el secundario.
Con la relación entre la fuerza electromotriz (Vp), la aplicada al devanado primario y la
fuerza electromotriz (Vs), la obtenida en el secundario, se tiene que es directamente
proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns). Esta
relación, se la conoce como relación de vueltas del transformador o relación de
transformación. [42]
La razón de la transformación de la tensión entre el bobinado primario y del secundario
depende del número de vueltas que tenga cada una de las bobinas como se demuestra en la
figura 1.28 y se la puede expresar por la ecuación 1.3.
Figura 1.28. Representación de un transformador.40
(1.3)
40
Figura propia del autor.
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36
Dónde:
Vp: es la tensión de entrada.
Vs: es la tensión en el devanado secundario o tensión de salida.
Ip: es la corriente en el devanado primario o corriente de entrada.
Is: es la corriente en el devanado secundario o corriente de salida.
Np: son el número de vueltas en el primario.
Ns: son el número de vueltas en el secundario.
1.2.1.2. AUTO TRANSFORMADOR
Es una máquina eléctrica con las características similares a las de un transformador como se
muestra en la figura 1.27; pero este no solo posee único devanado alrededor de un núcleo
ferromagnético. El devanado debe tener al menos tres puntos de conexión eléctrica; la
fuente de tensión y la carga, se conectan a dos de las tomas, mientras que una toma es una
conexión común a ambos circuitos eléctricos fuente y carga. [43]
Figura 1.29. Trasformadores con sus devanados a) conectados de manera convencional y b
conectados como auto transformador. 41
En un autotransformador, el segmento común del devanado único interviene como parte
tanto del devanado primario como en el secundario. La parte restante del devanado toma el
nombre de devanado serie y es la que suministra la diferencia de tensión entre ambos
circuitos, mediante la adición en serie con la tensión del devanado común.
41
S. J. Chapman, “Maquinas eléctricas”, Mcgraw-hill / interamericana de México, 2005,
4ta
Edición, p. 110. [consulta: 28 de enero 2013]
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37
1.2.2. EXTERIOR DEL LABORATORIO DE ALTA TENSIÓN.
En el exterior, encontramos los equipos necesarios para la realización de cada práctica, con
lo que contamos con un equipo de control del nivel de tensión y uno de medida para
manipular de una manera remota el laboratorio y poder observar las variaciones en los
niveles de tensiones producidos durante cada evento eléctrico.
1.2.2.1. EQUIPO DMI 551
El instrumento de medición digital DMI 551 es un dispositivo para la medición de AC, DC
y tensiones de impulso, como se muestra en la figura 1.35. Este posee tres canales
independientes de medición, así como, la función de activación de la señal de impulso. El
DMI 551 tiene un detector impulsos y descargas a tierra, además puede almacenar la última
medición de la tensión y su polaridad antes de una avería o una sobrecarga. El instrumento
está diseñado especialmente para su uso en laboratorios de Alta Tensión, donde existe un
alto grado de precisión en las mediciones. Las principales aplicaciones de la DMI 551
incluyen la medición de una salida de divisor de tensión o de pruebas de productos en Alta
Tensión.
Figura 1.35. Equipo DMI 55142
Este equipo se caracteriza por:
Determinar la tensión de la onda alterna la cual es medida en Vrms, pico y pico.
Determinar la tensión de DC, la evaluación del valor medio y el factor de rizado.
Determinar la tensión del impulso mediante la adquisición de los valores máximos
de rayos o impulsos.
42
HAEFELY, DMI 551 Digital Measuring Instrument,
<www.haefely.com/pdf/LL_DMI551.pdf>, p. 1. [consulta: 28 de enero 2013]
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38
Determinación de la corriente de impulso midiendo el voltaje, a través, de una
derivación de corriente.
Disparo de generador del dispositivo de medición para las pruebas de disrupción
con un destello de detección de AC y DC de las descargas disruptivas.
Puerto de comunicaciones para operar la unidad desde un ordenador o un portátil.
Salida para la grabación de AC y DC con equipos de impresión de Haefely.
Las características técnicas de conexión y de niveles de tensión del equipo están referidas
en el anexo 1.
1.2.2.2. EQUIPO DE ALTA TENSIÓN OT 276
Los controles OT 276, proporcionan un funcionamiento seguro y fácil de transformadores
de tipo AC en sistemas para laboratorios de Alta Tensión. La operación es por medio de
pulsadores y utiliza relés, para activar los estados de la secuencia de activación del
transformador. El estado de los contactos, la intensidad y tensión en el secundario del
transformador se muestran claramente en la placa frontal por medio de pantallas de LED y
leds. Además, se encuentra equipado con funciones de seguridad exigidas por las normas
internacionales, dentro de este también se puede llegar a controlar la distancia de esferas
utilizadas para la disrupción eléctrica, con la opción de acercar o alejar en la figura 1.36 se
observa el equipo.
Figura 1.36. Equipo OT 27643
43
HAEFELY, High Voltage Construction Kit, <http://www.haefely.com/pdf/LL_KIT.pd>f,
p.18. [consulta: 28 de enero 2013]
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39
Como objetivos principales de un laboratorio de Alta Tensión, es brindar prestaciones de
conocimiento a la sociedad de los efectos eléctricos en equipos distribución, la entrega de
tecnológica a la industria eléctrica y empresas de generación, transmisión y distribución de
la energía eléctrica, para los estudiantes, la investigación, docencia, postgrado y el control
de calidad.
Dentro del laboratorio de Alta Tensión se realizan las siguientes pruebas
Generación y medición de alto voltaje en AC. 100kV
Generación y medición de alto voltaje en AC. y DC.
Generación y medición de alto voltaje de impulso.
Prueba destructiva de la rigidez dieléctrica del aire.
Pruebas de aislamientos de un transformador de 13.8 kv.
Pruebas de aceite de un transformador.
Determinación de las características dieléctricas del aire.
Rigidez dieléctrica del aire a diferentes presiones.
Prueba de aisladores.
Prueba de aisladores en condiciones de contaminación.
Prueba del pararrayos.
1.2.2.3. EQUIPAMIENTOS PRINCIPALES
Equipo para ensayos de tensión aplicada en componentes de hasta 100 kV a
frecuencia industrial (60 Hz).
Generador de tensiones de impulso de 125 kV de cresta.
Equipo para determinación de rigidez dieléctrica de aceites aislantes.
Equipo de medición de resistencia de aislación.
Unidad de control para el comando de equipamientos de sistemas de ensayo de tipo
impulsivo, con capacidad de comandar y disparar electrónicamente.
Medidor digital voltajes en AC, DC y de Impulso
Controlador de tensión del transformador en el secundario.
Protecciones pértiga, indicadores de energización del equipo y seguridades para la
activación de la jaula de Faraday con los equipos necesarios.
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40
1.3. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
En un sistema de puesta a tierra, las conexiones de tierra se encuentran interconectadas a
los sistema de potencia, los elementos metálicos como: armazones o estructuras, equipos de
control o potencia, carcasas de motores, etc. Los sistemas de puesta a tierra, se los utiliza
para la protección contra las corrientes de falla, estos se diseñaron como un camino para las
corrientes de falla, y de referencia de tierra para equipos de telecomunicaciones, control y
potencia. Dentro de las normas internacionales se tiene como base las normas IEEE Std 80-
2000 y IEEE Std 142-1991.
La malla a tierra, se la utiliza con la intención de controlar el voltaje a tierra, dentro de los
límites previsibles. El sistema de puesta a tierra debe tener la capacidad de controlar el flujo
de corriente en magnitud y duración de un evento eléctrico producido durante una falla.
Esto también, puede ser el resultado de una corriente a tierra externa, como una descarga
atmosférica o una falla en un conductor de Alta Tensión. Las principales características de
un sistema de puesta a tierra son: [44]
Reducir el peligro de sufrir un shock eléctrico
Reducir el riesgo de daños a equipos de control y monitoreo.
Suministrar un retorno de baja impedancia para las corrientes de falla a tierra, para
la operación del sistema de protección.
La resistencia a tierra de un electrodo, se compone de la resistencia del electrodo, el cual
está hecho de metal, más la resistencia del suelo. Si la conexión no es la indicada para el
sistema de puesta a tierra, este no es apto para operar correctamente, provocando errores al
sistema cuando se presenten fallas eléctricas. Ya que la resistencia en los electrodos debe
ser la más baja, para permitir la rápida operación de los dispositivos de protección del
circuito, ante una eventual falla a tierra y evitar la posibilidad de un shock eléctrico, para el
personal que pueda estar dentro de una estructura.
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41
1.3.1. RESISTIVIDAD DEL SUELO
Dentro de la norma IEEE Std 142-1991- “IEEE recommended practice for grounding of
industrial an commercial power systems”. Se explica que la resistividad en suelos cambia
con el tipo, profundidad, contenido químico, lugar, humedad y temperatura del suelo. A
continuación en la tabla 1.4 se establecen los valores de la resistividad para cada tipo de
suelo.
Tabla 1.4.Tipos de suelos según la norma IEEE STD 142-1991
DESCRIPCIÓN DE SUELO
RESISTENCIA PROMEDIO
(ohm*cm)
Grava bien nivelada, mezcla arena-grava, poco o más
fina 60000-100000
Grava mal nivelada, mezcla arena -grava, poco o más
fina 100000-250000
Grava o roca arcillosa, grava mal nivelada mezcla
arcilla-grava 20000-40000
Arenas cenagosos, mezcla arena –cieno mal nivelada 10000-50000
Arena arcillosa, mezcla arena-arcilla, mal nivelada 5000-20000
Arenas finas cenagosos o arcillosas con poca
plasticidad 3000-8000
Suelos cenagosos o arenosos finos, cieno elástico 8000-30000
Zarcillas con grava arcillas arenosas, arcillas cenagosos,
arcillas magras 2500-6000
Arcillas inorgánicas de alta plasticidad 1000-5500
Los sistemas de puesta a tierra con coeficientes de resistencias menores a 1[Ohm], se los
consiguen a partir del uso de electrodos individuales conectados juntos, tales tipos de
resistencias, sólo son requeridas para grandes subestaciones y líneas de transmisión. Para el
caso del laboratorio de Alta Tensión se recomienda que la resistencia total, sea de un rango
menor a 2 [Ohm]. para el uso adecuado del mismo.
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42
1.3.2. MALLAS DE TIERRA
En el diseño de mallas de tierra constan de varios aspectos a considerar, los siguientes
pueden servir como una guía para elaborar un sistema de malla de tierra: [44]
El conductor debe rodear el perímetro de la zona a proteger, pero si se rodea una
zona de mayor perímetro, este se ve afectado a la resistencia de la malla. Con esto
se evita la concentración de altas corrientes en un área de la malla.
Dentro de la malla se deben colocar conductores en forma paralela y en filas a lo
largo de las estructuras para crear caminos para el despeje de la falla.
La malla; se debe construir de forma cuadrícula. En cada cruce los conductores
deben ser unidos. Las varillas de tierra pueden estar ubicadas en las esquinas de la
malla y en los puntos de unión del perímetro, se puede reducir la resistencia de
acuerdo al número de electrodos utilizados.
Los conductores de tierra, tienen que localizarse en los lugares donde existan
grandes concentraciones de corriente.
En los cruces en la malla a tierra tienen un efecto relativamente pequeño, el cual es reducir
resistencia, pero la principal función es asegurar un adecuado control en el potencial de la
superficie. En cada interconexión de cada conductor se provee de un paso para la corriente
de falla de la forma más rápida hasta llegar a la varilla de tierra para que esta la despeje, en
la figura 1.30 se detalla es estado de la configuración.
Figura 1.30. Malla a tierra44
44
G. H. Seguel Cuevas, J. A. Alamos Hernández. (2005). Sistema de Puesta a Tierra
<http://patricioconcha.ubb.cl/eleduc/public_www/capitulo5/mallas_de_tierra.html>
[consulta: 28 de enero 2013]
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43
En el laboratorio de Alta Tensión de la Universidad Politécnica Salesiana se tiene un
sistema de puesta a tierra, el cual tiene 3 tomas, las cuales se conecta directamente con la
malla, teniendo como principales elementos: la jaula de Faraday, los equipos de Alto
Voltaje y los equipos de control. En el cuarto de pruebas se encuentran todos los elementos
del equipo de alto voltaje para las prácticas cada uno de estos en su parte inferior están
construidos de partes metálicas, para el despeje de fallas, fuera del cuarto de pruebas está
ubicado el equipo de control y monitoreo de este laboratorio. Estos sistemas de puesta a
tierra se encuentran diseñados, como se describen a continuación.
1.3.3. ELECTRODOS
Existen diferentes tipos de electrodos y clasificación, ya que cada uno de ellos, se encuentra
construido con materiales perdurables a la humedad y a la acción corrosiva del terreno
como lo es la salinidad y contenido químico de este.
"Es una masa metálica en permanente contacto con el terreno. Su misión es
facilitar el paso de las corrientes de defecto o cargas eléctricas al terreno que actuarán
como descargadores".45
Por esto se utilizan materiales como el cobre, el acero galvanizado y el hierro zincado para
la construcción de los electrodos y mallas. Según su construcción la podemos encontrar
como:[45]
1.3.3.1. ELECTRODOS TIPO PICAS
Pueden estar formadas por tubos de acero zincado de 60 mm de diámetro, como mínimo o
de cobre puro de 14 mm de diámetro, y con unas longitudes no menores a los 2 m. Si son
requeridas, más de una pica la distancia entre ellas será al menos, igual a la longitud en la
siguiente figura 1.31 se describe su uso. [45]
45
R. Mujal Rosas, “Tecnología eléctrica”. 1ra edición. Ediciones UPC. Aula Politécnica
(2000), p 206
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44
Figura 1.31. Electrodos en picas 46
La resistividad de una barra vertical que se encuentra enterrada desde la superficie de un
terreno, se la puede expresar con la ecuación 1.4. [45]
(1.4)
Dónde:
R: es la resistencia de puesta a tierra [Ohm].
ρe: es la resistividad del terreno [Ohm-m].
es la área de la varilla [m2].
l: es la longitud de la varilla [m].
1.3.3.2. ELECTRODOS TIPO PLACAS
Estas son placas de cobre o hierro zincado de forma rectangular con una área mínima de 0.5
m2 tipo placa y con un espesor de 2 mm si son de cobre ó de 2.5 mm, si son de acero
galvanizado como se muestran en la figura 1.32. [45]
”Las placas presentan una gran superficie de contacto con el terreno, en relación con su
espesor, siendo muy grande la cantidad de energía que pueden disipar".47
46
R. Mujal Rosas, “Tecnología eléctrica”, 1ra edición. Ediciones UPC. Aula Politécnica
(2000), p 196. [consulta: 28 de enero 2013] 47
R. Mujal Rosas, “Tecnología eléctrica”. 1ra edición. Ediciones UPC. Aula Politécnica
(2000), p 198
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45
Figura 1.32. Electrodos en placa48
Dentro de los electrodos tipo placas, se pueden establecer parámetros de profundidad de la
malla y la resistividad, equivalente del terreno para determinar la ecuación 1.5. [45]
(1.5)
Dónde:
R: es la resistencia de puesta a tierra [Ohm].
ρe: es la resistividad del terreno [Ohm-m].
l: es la longitud de la varilla [m].
1.3.3.3. CONDUCTORES ENTERRADOS
Se utilizan de cobre desnudo de al menos 35 mm2 de sección, o cables de acero galvanizado
de un mínimo de 2.5 mm de diámetro. Estos electrodos, deberán enterrarse horizontalmente
a una profundidad no inferior a los 50 cm como se muestra en la figura 1.33. [45]
48
R. Mujal Rosas, “Tecnología eléctrica”, 1ra edición. Ediciones UPC. Aula Politécnica
(2000), p 198. [consulta: 28 de enero 2013]
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46
Figura 1.33. Conductores enterrados 49
La resistencia que posee un conductor horizontal de radio y longitud enterrado con una
profundidad de h, con h < l, se la puede expresar con la ecuación 1.6.[46]
(1.6)
Dónde:
R: es la resistencia de puesta a tierra [Ohm].
ρe:es la resistividad del terreno [Ohm-m].
a: es la área de la varilla [m2].
l: es la longitud de la varilla [m].
h: es la profundidad de la varilla [m].
1.3.3.4. MALLAS METÁLICAS
Para formar las mallas metálicas, se necesitan utilizar electrodos unidos entre sí e instalados
bajo la tierra, como se puede apreciar en la figura 1.34, por lo que se deben seleccionar
electrodos que ofrezcan menor resistencia posible. Además se debe considerar la forma que
tiene el electrodo, ya que de esto dependerá su resistividad que se obtenga.
49
R. Mujal Rosas, “Tecnología eléctrica”. 1ra edición. Ediciones UPC. Aula Politécnica
(2000), p 198.
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47
Figura 1.34. Malla a tierra50
Para realizar el cálculo se utiliza la expresión de Laurent descrita en la ecuación 1.7.
(1.7)
Dónde:
R: es la resistencia de puesta a tierra.
ρe: Resistividad equivalente del terreno [Ohm-m].
S: Superficie que cubre la malla [m2].
L: Longitud total de conductor de la malla [m].
1.4. NORMAS DE SEGURIDAD DEL LABORATORIO DE ALTA TENSIÓN.
El trabajo en un laboratorio de Alta Tensión, involucra el uso de equipos y otros elementos
para prevenir riesgos, por eso es necesario conocer su utilización y su funcionamiento. El
mal uso de los equipos o la falta de conocimiento del equipo de protección del laboratorio
de Alta Tensión podrían provocar accidentes como incendios, shocks eléctricos o daños a
los equipos electrónicos.
50
PROCOBRE “Mallas de Tierra”, 1999, 1ra
edición, p. 13. <
http://www.procobre.org/archivos/pdf/download_biblioteca/MANUALES/Mallas_de_Tierr
a.pdf>[consulta: 28 de enero 2013]
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48
Al tener un laboratorio donde los niveles de tensión, corrientes y campos magnéticos son
elevados, implican seguridad; por que tan solo al tocar el armazón de equipo que no se
encuentre apropiadamente aislado, puede producir la muerte. A continuación, se
mencionarán algunos puntos significativos que se deben tener en cuenta, para la utilización
de los laboratorios de Alta Tensión.
1.4.1. CUIDADOS GENERALES
Los cuidados generales que se deben tener en cuenta son:
No beber, comer, fumar o maquillarse en el laboratorio.
No ingresar en estado alcohólico al laboratorio, ya que se pierden la percepción de
los actos y podrían causar accidentes.
Apagar los equipos electrónicos, porque estos distraen a las personas dentro del
laboratorio.
No correr en los laboratorios.
No bloquear la salida con máquinas o elementos que dificulte la circulación o
visualización de los procesos de cada práctica.
No dejar equipos funcionando sin supervisión.
Ingreso solo de estudiantes calificados, (Estudiantes de Ing. Eléctrica).
Ingreso solo en horario establecido.
Formar grupos de trabajo para realizar las prácticas, (Norma de seguridad).
El responsable, es el mismo que se encargara de ingresar a la jaula de Faraday y el
último en salir.
1.4.2. TRABAJO DENTRO DE LA JAULA DE FARADAY
Antes en la efectuar una práctica se debe tomar en cuenta los siguientes criterios:
Trabajar mínimo entre dos, para ayudarse para la construcción de cada circuito, para
la comprobación de la ubicación de cada elemento en el circuito y seguridad
personal.
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49
Descargar los elementos eléctricos (Capacitores y transformadores), con la pértiga
antes de comenzar a trabajar.
Conocer la ubicación de los elementos de seguridad que exista en el laboratorio
como extinguidores, alarmas, salidas de emergencia, interruptores de emergencia,
etc.
Mantener el orden de los equipos antes y después de utilizarlos.
Verificar, antes de retirarse, que el circuito esté en condiciones de operar
nominalmente con todos los dispositivos conectados adecuadamente a cada circuito.
No distraerse con dispositivos ajenos (apagar celulares).
1.4.3. CUIDADOS DE EQUIPOS
Las fallas de los equipos se dan por causas eléctricas son muy frecuentes. Las causas son:
Sobrecalentamiento de cables, debido a sobrecarga de los conductores por
conexiones erróneas.
Fugas eléctricas o magnéticas por fallas de aislación.
Sobrecalentamiento de los materiales inflamables (aceites).
Ignición de materiales inflamables, por chispas o arco en el caso de pruebas en
aceite y aisladores.
Utilizar los adaptadores y cables, acorde a cada equipo para evitar daños a los
equipos.
No conectar mal los elementos de medida, sin considerar los niveles de tensión
admitida por cada uno de estos.
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50
CAPÍTULO II
ESTUDIO DEL CENTRO DE CONTROL ELÉCTRICO
2.1. DATOS A MONITOREAR
El principal dato a monitorear, será el de voltaje, ya que se tiene como base el estándar
americano, con la norma ANSI C84.1 "Electric Power Systems and Equipment-Voltage
Ratings (60 Hz)". En el que se especifica los niveles óptimos de tensión para los sistemas
de potencia desde los 100 V hasta los 230 kV a 60 Hz.
2.1.1. VOLTAJE ALTERNO
El voltaje alterno, varía en magnitud y el sentido de forma cíclica como se muestra en la
figura 2.1. Por lo que se asemeja a la oscilación sinusoidal, esta se consigue por la
inducción producida en el generador por el movimiento de los campos magnéticos y la
alimentación de corriente continua, el cual, genera un voltaje de magnitud positiva y
negativa. Ya que de esta manera es posible el transporte de la energía eléctrica, sin que
exista perdidas, desde los centros de generación hasta las industrias y hogares esto se
complementa por el uso de transformadores elevadores y reductores. [47]
Figura 2.1. Oscilación sinusoidal51
51
Figura propia del autor.
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51
Esta señal sinusoidal esta expresada matemáticamente, según sus parámetros, como una
función en el dominio en el tiempo, por medio de la ecuación 2.1.
(2.1)
Donde se pueden expresar como:
Vo: es la amplitud en voltios o amperios de una señal con un valor pico.
w: es la velocidad angular en radianes/segundo.
t: es el tiempo en segundos.
Para una señal con variación en el ángulo de desfase como se muestra en la figura 2.2,
frente a una sin desfase se obtiene la ecuación 2.2.
Figura 2.2. Oscilación sinusoidal con desplazamiento52
(2.2)
Donde se pueden expresar como:
Vo: es la amplitud en voltios o amperios de una señal con un valor pico.
w: la velocidad angular en radianes/segundo.
t: es el tiempo en segundos.
β es el ángulo de fase inicial en radianes.
52
Figura propia del autor.
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52
La expresión para los dos casos de la velocidad angular, puede ser expresada con la
ecuación 2.3.
(2.3)
Dónde:
f: es la frecuencia en hercios (Hz) y equivale a la inversa del período f
.
Los valores más usados, están en los rangos de 50 Hz y 60 Hz, para la distribución de
energía eléctrica.
La función sinusoidal puede estar representada por un número complejo, que crece
linealmente con el tiempo, al que se denomina fasor como se muestra en la figura 2.3 ya
que este tiene las siguientes características:
Cambiará en función de la velocidad angular ω y φ
Su módulo será el valor máximo.
Figura 2.3. Representación fasorial de una oscilación sinusoidal53
53
Figura propia del autor.
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53
2.1.1.1. VALOR PICO-PICO (VPP)
Es la diferencia del máximo positivo y un negativo de una señal sinusoidal, que oscila entre
+V0 y -V0 como se puede apreciar en la figura 2.4. Este es descrito con la expresión VP-P, es
por lo tanto (+V0)-(-V0) = 2×V0.
Figura 2.4. Valor pico-pico de la onda sinusoidal54
2.1.1.2. VALOR MEDIO (Vmed)
Es el valor del área sobre el periodo. Este se lo puede expresar como el componente de
continua de la oscilación sinusoidal. Ya que al tener una señal sinusoidal en el semiciclo
positivo es equivalente al negativo, y su valor medio calculado es nulo. Por medio del
cálculo integral se puede demostrar la ecuación 2.4. [48]
(2.4)
Donde se pueden expresar como:
f (t): es la función en el tiempo, para el caso seno (t).
T: es el periodo o duración del ciclo.
Vp: es el voltaje pico.
54
Figura propia del autor.
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54
2.1.1.3. VALOR EFICAZ (Vrms)
Se lo conoce como R.M.S. (root mean square), que es valor medio cuadrático, a este
también se lo conoce como el efecto calorífico, que es equivalente en corriente continua. Se
lo puede definir como la raíz cuadrada de la media de los cuadrados de los valores
transitorios alcanzados durante un período expresado en la ecuación 2.5. [48]
(2.5)
Donde se pueden expresar como:
f (t): es la función en el tiempo, para el caso seno (t).
T: es el periodo o duración del ciclo.
Vp: es el voltaje pico.
2.1.2. CORRIENTE CONTINUA
La corriente continua CC en español, y en inglés DC, ya que esta es el flujo continuo de
electrones a través de un conductor entre dos puntos de diferente potencial. En la corriente
continua las cargas eléctricas, circulan siempre en la misma dirección, no existe diferencia
semiciclos positivos o negativos como en la corriente alterna, por lo que se debe mantener
siempre la misma polaridad.
2.1.2.1. VOLTAJE ALTERNO EN VOLTAJE CONTINUO
Para conseguir el voltaje alterno, se parte del voltaje en AC para luego convertirlo en DC
con la rectificación, donde la señal se rectifica a partir de la señal fundamental o sinusoidal
por parte de rectificadores o tiristores, transformando la señal de la entrada negativa en
positiva o solo con el valor positivo, para posteriormente se filtrada por un banco de
capacitores, que disminuye el rizado de la señal rectificada obteniendo una señal triangular-
sinusoidal, para luego llegar a una señal estabilizada y constante como se representa en la
figura 2.5. Esta también puede partir de señales ajenas a las de distribución, como es el
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55
caso; de las tensiones atmosféricas las cuales brindan una señal en corriente continua por la
ruptura del dieléctrico que produce el rayo. [49]
Figura 2.5. Representación de rectificación de media onda 55
2.2. DISEÑO DEL CENTRO DE CONTROL.
En el diseño del centro de control, se deben tomar en cuenta los nuevos requerimientos que
se establecen, para los niveles de tensión; versus el espacio físico, seguridad y de los
equipos requeridos para la realización de cada ensayo.
Ya que el laboratorio, se encuentra operando desde hace más de 7 años y sufrió de una
remodelación en su ubicación; este debe tener un nuevo estudio de los nuevos
requerimientos y de los equipos de acuerdo a la necesidad de la carrera para el estudio de
las señales producidas durante cada práctica.
Por lo que los puntos más importantes que se tomarán en cuenta en el capítulo serán:
Diseño actual.
Señales del estudio.
2.2.1. DISEÑO ACTUAL
El laboratorio de Alta Tensión, se encuentra ubicado dentro del laboratorio de Ingeniería de
Eléctrica, y cuenta con una nueva infraestructura en la que se puede realizar las prácticas de
una mejor manera, teniendo como principales beneficios:
55
Figura propia del autor.
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56
Mejorar la manipulación de los elementos y equipos requeridos, durante cada
práctica.
Mejorar la condición de trabajo, con normas de seguridad al momento de trabajar
con la Alta Tensión.
Seguridad al operar el equipo, ya que se cuenta con un lugar específico para realizar
las prácticas.
Mejorar la visualización de los eventos eléctricos producidos durante cada práctica.
La jaula de Faraday, se la remodelo para tener una mejor protección para las personas que
trabajan dentro de este laboratorio, y se la reconstruyo para tener una mejor manejo de los
equipos, además se utilizó la tierra anterior de la protección de la malla a tierra para la
actual, pero sin tomar en cuenta las posibles ampliaciones de prácticas para el futuro. Se
mejoraron las protecciones de la puerta, para tener una mejor seguridad y se colocaron
señales de precaución, como se muestra en la figura 2.6, para el uso adecuado del mismo.
Figura 2.6. Protecciones del laboratorio de Alta Tensión56
Los planos del espacio físico utilizado por el laboratorio de Alta Tensión, se encuentran en
los anexos A3.
2.2.2. SEÑALES DEL ESTUDIO
Dentro de un laboratorio de Alta Tensión tenemos distintas equipos; los cuales permiten
realizar diferentes ensayos y con cada elemento se busca obtener de diferentes
56
Figura propia del autor.
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57
configuraciones y distintas señales eléctricas para estudiar, por lo que se conseguirán
señales de diferente magnitud y con características únicas. Por lo que los ensayos donde se
puede llegar obtener señales notables y se las puede llegar a visualizar en los siguientes
ensayos:
Generación y medición de alto voltaje de impulso
Prueba destructiva de la rigidez dieléctrica del aire
Pruebas de aislamientos de un transformador de 13.8 kV
Determinación de las características dieléctricas del aire
Rigidez dieléctrica del aire a diferentes presiones
Por cada configuración de los equipos presentes en el laboratorio, se tiene diferentes
ensayos; en los cuales se obtiene distintas formas de conexiones, por lo que cada uno de
estos divisores resistivos y capacitivos de los equipos de ensayos, dan como resultado
distintas señales, las cuales son conectados al equipo de control y de medida del laboratorio
actual para su monitoreo y control. En estas prácticas, se encuentran las señales de AC y
DC, las cuales son las más frecuentes en monitorear pero dentro de estas se puede crear una
señal de impulso, la cual costa de dos señales o más de acuerdo a las condiciones en la que
se cree. Esta se compone por una señal AC y DC, pero su principal característica es que no
se la puede recrear de una manera perfecta, ya que esta puede variar de acuerdo a las
condiciones ambientales, por lo que el circuito utilizado para este caso se detalla en la
figura 2.7.
Figura 2.7. Circuito para la medición de AC, DC y tensión de impulso57
57
Figura propia del autor.
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58
En el circuito de la figura 2.7, se puede observar la rectificación de la onda, con los
divisores de tensión; los cuales, permiten que se reduzcan los valores de kilovoltios a
valores estándares admisibles para los equipos de control, estos son enviados por cables
especiales para aislar la señal de cada una de estas y llevarlas al equipo DMI 551, el que se
encarga de monitorearlas y presentar los valores de AC, DC y la tensión máxima de
impulso, por lo que llegaríamos a obtener valores de acuerdo a los valores procesados por
los equipos de medición.
Figura 2.8. Señal asimétrica58
2.2.2.1. TENSIÓN DE IMPULSO
Esta es una tensión o una corriente transitoria aperiódica aplicada sobre los elementos, la
misma que asciende rápidamente, hasta alcanzar un valor de pico, y después decrece más
lentamente, hasta llegar a cero. Estos fenómenos se dan principalmente en la naturaleza.
Por lo que los impulsos, con una duración de frente de hasta 1.2 us; se los reconoce como
impulsos atmosféricos.
2.2.2.2. ONDA DE IMPULSO ATMOSFÉRICO
Una onda de impulso completa, es la que no se ve obstruida por una descarga disruptiva.
Por lo que en la figura 2.9, se observa que el tiempo de frente de la onda es corto, en
comparación del tiempo de cola; una onda de impulso atmosférico cortada, es aquella que
58 IEEE Recommended Practice for Electric Power Systems in Commercial Buildings,
IEEE Std 241-1990, p. 320.
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59
se interrumpe bruscamente por una descarga disruptiva, provocando una brusca caída de
tensión prácticamente a cero, esta se representa en la figura 2.10.[50]
Figura 2.9. Forma de onda de impulso atmosférico59
Figura 2.10. Forma de onda de impulso atmosférico cortada60
La caída de tensión de la onda, puede producirse en el frente, cresta o cola. La forma de
onda puede variar de acuerdo a la frecuencia de ocurrencia y condiciones atmosféricas en
las que se produzca. Además, se puede obtener un tren de pulso de señales de impulso, ya
59
IEEE Standard Techniques for High-Voltage Testing, IEEE Std 4-1995, p. 20. 60
Ídem, p. 22.
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60
que al producirse una señal atmosférica, se pierde las características físicas del aire por un
momento, haciendo más fácil que se repita el evento eléctrico.
2.2.3. ESPECIFICACIONES CENTRO DE CONTROL
Con los principios de seguridad, control y monitoreo del laboratorio actual; se requerirá de
los diferentes elementos electrónicos para asegurar un nivel de seguridad y fiabilidad en la
adquisición de datos y control. En este sistema, se deberá contener los distintos tipos de
visualización inteligente y notificaciones del caso, para tener una confiabilidad en el
proceso de adquisición. Los puntos a tomar en cuenta en el diseño deberán ser: [51]
Sistema de visualización.
Sistema de procesamiento de señal.
Espacio físico.
Muebles tipo raks para equipos de comunicación, control y medida.
Sistema de cableado.
Protocolos de comunicaciones.
Equipos de control y monitoreo.
2.2.3.1. SISTEMA DE VISUALIZACIÓN
Los sistema de visualización para los Centros de Control, son los Videowalls o murales de
visualización, como se muestra en la figura 2.11. La utilidad principal de los Videowalls, es
la de mostrar la información por medio visual o representativo a un grupo de personas, al
mismo tiempo que el evento o proceso se produce, para que éste pueda ser estudiado. Estos
Videowalls están formados principalmente por tres elementos:
Los módulos de visualización: son retroproyectores DLP o paneles TFT apilados
y/o situados de acuerdo a las necesidades del sistema, para la visualización del
proceso, de forma que la separación entre los distintos módulos sea la menor
posible.
El sistema electrónico de procesamiento de señales: este se encarga de organizar las
diferentes etapas de las señales a representar, en el conjunto de módulos de
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61
visualización; con lo que se generará un escritorio extendido para la visualización
del proceso.
Software de servicio de la configuración de los paneles y etapas de las distintas
fuentes de imagen para crear Videowalls.
Figura 2.11. Videowalls del centro de control del CENACE61
2.2.3.2. SISTEMA DE PROCESAMIENTO DE SEÑAL
El procesamiento, se dará por medio de una tarjeta de adquisición de datos; la cual se
encarga de tomar las señales eléctricas, por medio de niveles admisibles por equipos de
monitoreo, este se complementa con un sistema de procesamiento de datos, el mismo que
es un computador o a su vez, el equipo de adquisición. Al contar con un procesador acorde
a las necesidades específicas para el proceso a medir, este se encargará de procesar la señal
por medio del software, en donde los algoritmos procesarán los datos obtenidos para
mostrar un resultado especifico de lo que se requiere. Estos algoritmos se basan
primordialmente en el tiempo de respuesta o velocidad que tenga la tarjeta de adquisición y
de la velocidad del computador para manejar la información por los canales o protocolos de
comunicación, ya que si se ve interrumpida la señal, se tienen errores o resultados erróneos
dentro del procesamiento.
La mayoría de computadoras se basan en el procesamiento de las señales digitales, las
cuales son mucho más fáciles de procesarlas por los diferentes programas, cabe mencionar,
61
CENACE, Centro de Nacional de Control de Energía del Ecuador, <www.cenace.org.ec>
[consulta: 28 de enero 2013]
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62
que se pueden también trabajar con las señales analógicas pero, estas a su vez; utilizan
demasiada memoria del procesador y vuelven al sistema un poco lento, por eso se
recomienda la utilización de equipos acordes a las necesidades del proceso, para un centro
de control eléctrico.
Los requerimientos básicos para el centro de control, se basan primordialmente en la
velocidad del procesamiento de las señales y características que el computador debe tener
para brindar un control de flujo de datos adecuados, para el sistema SCADA.
El computador, será el encargado de soportar los distintos dispositivos como: disco duro,
tarjeta de video, memorias RAM, tarjetas de comunicaciones, tarjetas de audio, adquisición
de datos, entre otras y de acuerdo a lo que el usuario o proceso lo requiera. Dentro de estas
se tienen características especiales que son los Slot de expansión, ya que se utilizan para
colocar placas de expansión. Pueden ser de varios tipos: Slot para tarjetas gráficas, las que
permitirán la entrada de nuevas tarjetas gráficas, esta pueden constar con un sistema SLI el
cual se basa en la expansión de otra tarjeta de video, por medio de un segundo slot para el
control independiente de los procesos gráficos independizando las señales. En la actualidad
la tecnología SLI, desarrollada por NVidia puede alcanzar hasta un máximo de 4 monitores
con una resolución excelente.
Además, se contara con los slots, del tipo PCI (Periferical Componet Interconect), los
cuales se encuentran en la versión PCI 3.0, estos poseen una tasa de transferencia de 503
Mbps a 66 Mhz. Su ubicación se encuentra dependiendo del tipo de placa, normalmente
entre 5 slot (ATX) y 2 slot Mini ATX. Ya que estos se los utilizaría para la expansión de las
tarjetas de comunicaciones, adquisición de datos u otros tipos de tarjetas que pueden
enlazarse a programas. Otro medio indispensable para la realización de un centro de
control; es la utilización de puertos USB, ya que en la actualidad la mayoría de tarjetas de
adquisición se basan principalmente en la utilización de este puerto, por lo que la mayoría
de mainboards actuales traen más conectores USB, teniendo más de cuatro puertos en la
parte posterior del case y otros cuatro conectores internos. Las placas actuales incorporan
USB 2.0 o USB 3.0, este último puede mostrar incompatibilidad con ciertos equipos y
requiere la actualización del firmware para funcionar. La taza de transmisión es hasta 480
Mbps para el USB de acuerdo al dispositivo de comunicación. Este tipo de tecnología
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63
permite la conexión y desconexión de los periféricos, con voltaje; sin que existan fallos en
la desconexión, además estos cuentan con una alimentación de hasta 5 Voltios.
Dependiendo de la mainboard, se pueden encontrar de diferentes tipos de comunicaciones
adicionales: como tener varios puertos de comunicaciones de Ethernet, con velocidades
10/100, llegando a 10/100/1000 en las placas de gama media-alta y alta. Se pueden
incorporar distintos tipos de tarjetas de comunicaciones de acuerdo a los equipos de control
o monitoreo, ya que cada equipo puede basarse en un protocolo específico.
El procesador, permitirá el procesamiento de información en forma binaria, por medio de
algoritmos matemáticos. Ya que este, trabajará en función a la velocidad de un reloj
interno, con un cristal de cuarzo que se encuentra dependiente de la corriente eléctrica, el
cual envía pulsos para dar paso a funcionamiento del procesador. Por lo que se requerirá de
un procesador capaz de soportar las velocidades de procesamiento de los datos, para que
estos sean procesados y trasmitidos dentro del sistema SCADA.
2.2.3.3. ESPACIO FÍSICO
El espacio físico es importante, ya que de este dependerá la seguridad de las personas y la
operación adecuada de los equipos de laboratorio, por lo que a continuación, se detallará
como se debe distribuir los ambientes de acuerdo al espacio físico.
Actualmente se cuenta con un armario, el cual se encarga de mantener los elementos del
laboratorio en orden y preservarlos intactos. Las señales de advertencia y luminosas deben
estar ubicadas en lugares donde las personas que realicen las prácticas puedan distinguirlas,
y deben llevar una rotulación de peligro o Advertencia de que los equipos están energizados
y que no se deben acercar demasiado a la jaula de Faraday.
Los equipos de control y medida, deben estar frente a la jaula de Faraday, para observar los
efectos electromagnéticos producidos durante cada ensayo, pero teniendo una distancia de
seguridad contra los efectos electromagnéticos y niveles de tensión presentes dentro de la
jaula de Faraday.
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64
Los armarios eléctricos de este laboratorio deben estar situados en lugares donde se puedan
desconectar, si existiere el peligro de muerte, y los equipos de datos o redes deben estar
ubicados en un lugar donde no se vean afectados por los efectos electromagnéticos
producidos por el laboratorio de Alta Tensión.
Se deben establecer sitios para la proyección del sistema SCADA, para los equipos,
muebles, armarios eléctricos y de datos, sin que estos intervengan en la movilidad de las
personas. Todos estos deben complementarse para guardar un orden dentro de un centro de
control.
2.2.3.4. MUEBLES TIPO RAKS PARA EQUIPOS DE COMUNICACIÓN,
CONTROL Y MEDIDA
Los muebles utilizados dependerán de qué tipo de centro de control se desee implementar
por eso se deberán tener armarios para proteger los equipos. Por lo que un Rack es un
gabinete que puede contener los dispositivos de red como servidores, cables para
conexiones con la computadora principal, también contiene equipos para el control o
monitoreo del sistema, la mayoría de racks suelen ser de puertas de vidrio o un material
transparente, para la supervisión de los equipos, como se muestra en la figura 2.12.
Figura 2.12. Racks de comunicaciones.62
Los armarios eléctricos, están destinados a contener todas las conexiones eléctricas, para
proteger cada uno de los distintos circuitos del centro de control, esta instalación contendrá
fusibles, protecciones magnéticas o térmicas y diferenciales, como se lo puede apreciar en
62 Himel, “Armarios Combinables Metálicos OLN ”, p1 <
http://electrocentro.com.mx/catalogos/Ficha_OLN.pdf > [consulta: 28 de enero 2013]
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65
la figura 2.13. Este también tendrá el encendido del equipo principal y el de emergencia, de
esta manera se garantiza que los usuarios no sufran pérdida de conectividad por algún cable
que se desconecte o que exista riesgo sobre los cables de tensión de los equipos de medida
hacia las personas.
Figura 2.13. Tablero eléctrico.63
2.2.3.5. SISTEMA DE CABLEADO
Es un punto importante del centro de control, ya que de este dependen los datos de control
y de monitoreo, este sistema de cableado, debe dar un soporte físico para la transmisión de
las señales asociadas a las prácticas realizadas en el laboratorio. Para realizar esta función,
el sistema de cableado, debe contener todos los cables, conectores, módulos, etc., rotulados
especificando su función, ya que con esto, se podrá realizar el correcto funcionamiento de
los equipos.
En el caso de un centro de control, se debe independizar los cables de energización de los
cables de datos para los equipos de control y medida, ya que existirían interferencias en las
lecturas, además, es imprescindible la independización de los cables de comunicaciones; ya
que de no hacerlo se tendrán problemas en la comunicación con servidores y otro equipos o
si fuere el caso daños a equipos. El laboratorio actual cuenta con un sistema de cableado
para cada uno de los servicios, pero estos se deberán reestructurar de manera que exista un
orden para la implementación de un centro de control.
63 ZPAS S.A., Armario eléctrico< http://www.directindustry.es/prod/zpas-sa/armarios-
electricos-64355-527398.html>[consulta: 28 de enero 2013]
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66
2.2.3.5.1. TIPOS DE CABLES
El sistema cableado, deberá ser considerado no sólo en las condiciones actuales del
laboratorio de Alta Tensión, sino cuando se requiera implementar nuevos equipos de
control y monitoreo para necesidades futuras.
Al realizar esto, se podrá realizar la expansión del laboratorio de una manera segura y
confiable sin la necesidad de necesitar costosas renovaciones, cada vez que se lo requiera.
Los cables más utilizados, son los que componen la mayoría del sistema eléctrico, hay que
tomar en cuenta que si los niveles de tensión cambian, se deberán cambiar por los cables
sugeridos por los fabricantes de los equipos de control y monitoreo para evitar fallas sobre
estos.
El tener distintos tipos de cables cada uno cuenta con sus ventajas y desventajas, ya que la
principal diferencia entre los distintos tipos de cables radica en los límites de tensión, el
grado de blindaje ante interferencias electromagnéticas, caída de tensión, grado de
flexibilidad, etc.
En la actualidad, existen básicamente tres tipos de cables factibles de ser utilizados para el
laboratorio de Alta tensión como:
Coaxial.
Par Trenzado (2 pares y 4 pares).
Fibra Óptica.
Los cables como el Par Trenzado se basan a partir de la norma ANSI/TIA/EIA-568 y la
Fibra Óptica en la norma ANSI/TIA/EIA-568-B.3. A continuación, se describen las
principales características de cada tipo de cable, tomando en cuenta los cables coaxiales y a
la fibra óptica utilizados en el laboratorio de Alta Tensión.
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67
A. CABLE COAXIAL
Está compuesto de un hilo central de cobre, envuelto por una malla de hilos de cobre. En el
área entre el hilo y la malla se encuentra un conducto de plástico que separa los dos
conductores y ayuda a mantener las propiedades eléctricas. Además cuenta con un
recubrimiento de plástico de acuerdo al uso que se establezca se lo puede representar en la
figura 2.14. Dentro del laboratorio de Alta Tensión, tenemos diferentes tipos cables los más
utilizados o más reconocido son: los cables de medición en AC, DC e impulso, y control de
los distintos equipos del laboratorio. [52]
Figura 2.14. Cables coaxiales 64
B. PAR TRENZADO
Sirve como medio de comunicación entre la computadora principal, otras computadoras,
servidores o equipos eléctricos, para enviar la información, desde el centro de control al
exterior, ya que este tipo de cable está diseñado para el uso en comunicaciones.
Permitiendo frecuencias más altas de transmisión, este tipo de cable está compuesto por una
serie de pares de cables trenzados y cada uno cuenta con un color especifico, ya que de la
forma en que se los conecte, se verá la forma de comunicación. Los pares se entrelazan para
disminuir la interferencia entre pares adyacentes, como se muestra en la figura 2.15. [53]
64
C O N E T X, CABLE COAXIAL RG-6, p. 2 < http://www.energitel.com/fichas/22.pdf>
[consulta: 28 de enero 2013]
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68
Figura 2.15. Cables par trenzado.65
Los cables, se los puede clasificar de acuerdo a las características eléctricas, protección,
tamaño, peso y flexibilidad, ya que cada uno tiene distintas aplicaciones dentro del campo
de comunicaciones. A continuación se describen las características de los cables trenzados
a partir de su clasificación:
A. CABLE UTP
Las principales ventajas de estos cables es su bajo costo y su facilidad de manejo y su
mayor desventaja es su gran tasa de error, ya que carece de un apantallamiento o malla de
protección, frente a señales eléctricas externas respecto a otros tipos de cable, y sus
restricciones para trabajar a distancias elevadas; la representación de este tipo de cable está
en la figura 1.16. Al tener señales de impulso, se generan señales electromagnéticas para el
sistema, por lo que el cable carecería de la protección y se tendría problemas en los datos
enviados por la red, ya que los equipos de datos se ubicarían a un extremo de los equipos de
medida y control existentes guardando las distancias necesarias. Todos a su vez se ubican
en la parte externa de la jaula de Faraday. El estándar EIA-568 en el adendum TSB-36
diferencia entre cuatro categorías distintas para este tipo de cables. [53][54]
Categoría 3: Permiten trabajar con frecuencias de hasta 16 MHz
Categoría 4: Permiten trabajar con frecuencias de hasta 20 MHz
Categoría 5: Permiten trabajar con frecuencias de hasta 100 MHz
Categoría 6: Permiten trabajar con frecuencias de hasta 250 MHz
De acuerdo a las aplicaciones, tenemos diferentes sub-categorías de cada uno de estos
por lo que se enfatizara, con las especificaciones de acuerdo a la normativa de centros
de control de un laboratorio de Alta Tensión.
65
E. Herrera, "Tecnologías y redes de transmisión de datos", Limusa 2003, p. 82.
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69
Las características generales, de este tipo de cable para el laboratorio serán:
Por Tamaño y peso: por lo que al contar con un menor diámetro de los cables de
par trenzado no blindado, son mucho más eficientemente en las canalizaciones y los
armarios de datos; y su peso con respecto a los otros tipos de cable facilita el
tendido.
Flexibilidad: La facilidad para doblar y curvar este tipo de cables, permite un uso
más rápido.
Figura 2.16. Cable UTP 66
En el cable STP se encuentra cubierto por una malla metálica, y el conjunto de pares se
encuentra recubierto con una lámina blindada de aluminio. Se identifica frecuentemente
con sus siglas en inglés STP (Shielded twisted pair) o par trenzado blindado, como se
muestra en la figura 2.17. Ya que con el uso de una malla blindada, se reduce la tasa de
falla contra efectos electromagnéticos, pero se incrementa el costo de cada par, debido a
que requiere de un proceso de fabricación más costoso. Este es adecuado dentro del
laboratorio para proteger los datos enviados, a través, de una red de comunicación del
laboratorio de Alta Tensión, pero existen problemas en el manejo, pues este es más pesado
y no cuenta con una buena flexibilidad. [53][54]
66
Pablo Gil Vázquez, Jorge Pomares Baeza, Francisco Candelas Herías, "Redes y
transmisión de datos”, Universidad de Alicante. Servicio de publicaciones, 2010, p. 83.
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70
Figura 2.17. Cable STP. 67
El cable FTP es similar al cable UTP, pero sus pares no están apantallados, sin embargo
este dispone de una pantalla global para mejorar el nivel de protección, ante interferencias
electromagnéticas, como se muestra en la figura 2.18. Su impedancia característica es
mayor a los 100 ohmios, y su transmisión es similar a los cables mencionados
anteriormente. [54]
Figura 2.18. Cable FTP. 68
2.2.3.6. PROTOCOLOS DE COMUNICACIONES
Dentro de los protocolos de comunicaciones tenemos como base el Protocolo TCP/IP, el
cual puede funcionar simultáneamente, con una gran variedad de protocolos. Los mismos
que se apoyan en TCP y son del tipo de protocolos de nivel de aplicación, el cual provee de
servicios como: transferencia de archivos, correo electrónico, servicios de terminales entre
equipos. Estos tipos representan los niveles físico y de enlace de datos para el caso de un
sistema SCADA.
67
Pablo Gil Vázquez, Jorge Pomares Baeza, Francisco Candelas Herías, "Redes y
transmisión de datos”, Universidad de Alicante. Servicio de publicaciones, 2010, p. 83. 68
Adckrone, “ Cableado Estructurado TrueNet®”, p 24,
<http://www.adckrone.com/eu/es/webcontent/support/PDFs/enterprise/catalogue%20es/Ca
bleado%20horizontal.pdf> [consulta: 28 de enero 2013]
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71
2.2.3.6.1. PROTOCOLO TCP/IP
El protocolo TCP/IP, se lo puede definir mediante un número de puerto, ya que los datos
son enviados por un canal y deben estar conectados a una red. Esta información es utilizada
por los dos computadores o dispositivos para que puedan ser conectados a fin de recibir y
enviar información.
El uso de número de puerto, brinda la capacidad de multiplexación, a varios programas o de
usuarios, ya que se consigue tener una comunicación de forma repetida, con diferentes
programas. Básicamente los números de puerto sirven para identificar a cada aplicación.
Este concepto es semejante al del punto de aplicación de servicio SAP (Punto de acceso al
servicio), que solo es la unión de servicios de red como por ejemplo el número del puerto o
capa y la dirección del puerto. En la que la dirección IP solo indica una conexión dentro de
una red.[55][56]
En las redes TCP/IP se identifican los computadores y las redes a las que están conectados
utilizando direcciones de 32 bits. Su representación en la dirección está dada por:
Dirección IP = Dirección de red + Dirección de computador
Ya que esta oculta la subred creada debajo de los usuarios finales y crea una nueva red
virtual para ellos. Ya que permite a diferentes redes conectarse a un puente IP, siendo este
el punto de referencia para las conexiones a la web o servidores.
El IP es un protocolo de tipo datagrama, este soporta operaciones de segmentación y es una
operación por la que una unidad de datos de protocolo PDU (Unidad de Datos del
Protocolo) se divide y segmenta en unidades más pequeñas de acuerdo a la necesidad de los
datos y su importancia dentro del servicio de red. [55][56]
2.2.3.6.2. TCP.
El TCP se debe encargar del control de flujo de datos, secuencia, aperturas y cierres de los
puertos. Además el TCP es un protocolo dedicado a la conexión entre equipos. Este
conserva la información del estado de cada arreglo de datos que el sistema envía por el
canal y la transmisión de cada uno de estos; es del tipo bytes u octetos, por lo que cada una
de estas sucesiones, permite un número de órdenes y admisiones o de rechazos. El TCP
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72
admite el uso de una determinada longitud de la variable, debido a su diseño orientado a
arreglos. [57]
La estructura del TCP, se forma a partir de dos partes, la primera de inicio donde se
encuentran las características de comunicación-dirección; como la del puerto de fuente y
puerto de destino, y en la segunda la parte de datos. En los primeros 16 bits se identifican a
los programas de aplicación de nivel superior que utilizan la conexión TCP, y el siguiente
campo que es el número de secuencia, este contiene el número de secuencia del primer
octeto del campo de datos o de información. El número de secuencia se utiliza para la
aceptación de los datos y la validación de estos.[57]
2.2.3.6.3. PROTOCOLO DE DATAGRAMAS DE USUARIO (UDP)
UDP este es un protocolo, el mismo que no está orientado a conexión. Se lo utiliza a veces
como remplazo del TCP, cuando no hay que utilizar los servicios del mismo, este solo
llama a determinados datos en el sistema de comunicaciones y sirve como interfaz de
aplicación simple para IP, la única función de este canal es la de envío y recepción del
tráfico de IP con direccionamiento de datos. Ya que este solo envía los datos requeridos por
el usuario desde el actuador o controlador a la pc, facilitando de una manera, la
comunicación, ya que no requiere de una trama compleja. [58]
2.2.3.7. EQUIPOS DE CONTROL Y MONITOREO
Dentro del laboratorio de Alta Tensión, tenemos distintos niveles de voltaje, los cuales nos
permiten tener la posibilidad de adaptar distintos tipos tarjetas de adquisición de datos, pero
se debe tomar en cuenta los niveles admisibles para cada una de estas, ya que el laboratorio
cuenta con equipos de control y monitoreo, con los respectivos voltajes, los cuales son:
2.2.3.7.1. EQUIPO DMI 551
Es un elemento de medición y control digital DMI 551, está diseñado para la medición de
AC, DC y tensiones de Impulso. Con tres canales independientes de medición, este cuenta
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73
con la activación de un trigger, para activación de la señal de impulso, la cual es generada
por las esferas del equipo de impulso. 69
A. MEDICIÓN
Para la medición del voltaje en AC, los valores óptimos que el equipo, tiene como base son:
Rango del tensión AC
0-150 Vrms
Frecuencia
16 2/3 a 40 Hz
40 a 400 Hz
Rango de precisión
1 ± 1.0% rdg, ± 3 dígitos
2 ± 0.5% rdg, ± 3 dígitos
Para la medición del voltaje en DC, los valores óptimos que el equipo, tiene como base son:
Rango de tensión.
0 a 7,5 V
Rango de la onda.
0 a 0,5 V, 50 a 1000 Hz
Rango de precisión.
± 0,5% rdg, ± 3 dígitos
Para la medición del voltaje de impulso, los valores óptimos que el equipo, tiene como base
son:
Rango de tensión.
0 a 400 V (BNC)
0 a 1600 V (LEMO 4250)
69
HAEFELY, DMI 551 Digital Measuring Instrument,
<www.haefely.com/pdf/LL_DMI551.pdf>, p.1-2. [consulta: 28 de enero 2013]
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74
Rango de precisión.
± 1% rdg, ± 3 dígitos
B. CONTROL
Para el control del disparo para el voltaje de impulso, los valores que el equipo, tiene como
base son:
Disparo Generador de Vacío
Manual
Automático
Cortar brecha de
0 a 2000 ms
Osciloscopio
20 a 2000 ms
Fase de sincronización
0° a 360 °
2.2.3.7.2. EQUIPO OT 276
El equipo OT 276, proporciona un funcionamiento seguro y fácil de transformadores de
tipo AC, en los sistemas de Alta Tensión, ya que en este tenemos control del trasformador y
se pueden visualizar los valores correspondiente del nivel de tensión y corriente del lado
primario, por medio de pulsadores, además cuenta también con la opción de un descargador
a tierra, para setear al equipo y con la opción de un motor, el cual se encarga de realizar la
prueba destructiva de la rigidez dieléctrica del aire y encontrar las características
dieléctricas del aire. Los niveles de tensión, están de acuerdo a las especificaciones de la
marca Haefely.
2.3. ADQUISICIÓN DE DATOS.
Para la construcción del centro de control y monitoreo, se requieren implementar nuevos
equipos de control y medida, con lo que se contará con un sistema de adquisición de datos,
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75
que tiene como objetivo, tomar muestras de un proceso en un tiempo real o dinámico, estos
valores pueden ser de forma analógica o digital de acuerdo al proceso.
Dentro de un laboratorio se tienen diferentes formas de obtener mediciones, estas pueden
tomarse a partir de acciones físicas para luego ser convertidas a eléctricas o directamente de
señales eléctricas, esas deben tener niveles tolerables, para los canales de adquisición o si
fuere el caso ser convertidas a niveles de tensión adecuadas, para los equipos de medición y
control; por medio de divisores de tensión, ya que con estas señales se pasan a un
procesamiento digital, para que una computadora las pueda analizar y procesar de acuerdo
al estudio a realizar.
Para estos casos, se requiere de elementos especiales llamados tarjetas de adquisición de
datos, con sus siglas en ingles DAQ (Data Acquisition), las que se encargan de compilar los
datos y trasmitirlos por un protocolo, en especial para su manipulación dentro de un sistema
de procesamiento. [59]
Dentro de los procesos de adquisición de datos, se obtienen los siguientes términos, estos
forman parte de las características del procesamiento de las señales: [60]
Dato: Se lo puede representar, como un estado alfa-numérico o propiedad del
proceso, parta el procesamiento en un estado matemático.
Adquisición: Se lo representa, como la acción de tomar muestras de las variables
físicas o eléctricas, como valores de tensión, luz, presión, etc. Para luego
digitalizarla de manera que puedan ser procesadas.
Rango: Son los valores máximo y mínimo entre los que el sensor o dispositivo
puedan funcionar, bajo unas especificaciones estándares, pero también se lo puede
llamar a los límites de operación que tenga el proceso para operar correctamente sin
dañar el producto a acción a realizar.
Sistema: Son los conjuntos de dispositivos y procesos que interactúan entre sí
permitiendo que las acciones se realicen de una manera ordenada y sistematizada.
Bits de resolución: Es el número de bits que el convertidor analógico / digital
utiliza para representar una señal analógica, producida durante un proceso.
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76
Los sistemas de adquisición de datos, se basan a partir de los acondicionamientos de las
señales producidas durante un proceso. Estas señales obtenidas por el equipo de medición
se visualizan, analizan y se almacenan en un ordenador o servidor de acuerdo al caso, ya
que estos pueden ser utilizados localmente o remotamente. [60]
Los programas informáticos, brindan una gran ayuda al realizar el procesamiento de datos,
porque dentro de ellos existen algoritmos diseñado con bibliotecas y herramientas para un
mejor procesamiento de las señales de acuerdo a las necesidades del proceso, ya que estos
brindan la posibilidad de crear HMI para mejorar el control del proceso de una manera
didáctica y ordenada. En los sistemas de adquisición, se utilizan a los sensores,
transductores, amplificadores y convertidores analógico-digitales (A/D), para obtener los
cambios que se producen durante proceso de adquisición; ya con esto se puede utilizar la
información obtenida para corregir el proceso y visualizar el estado del mismo.
Las tarjetas de adquisición de datos, pueden ser del tipo modular o sencillas, se las puede
encontrar de forma interna al computador, a través, ranuras de las tarjetas conectadas (PCI,
ISA) o por medio de los puertos USB, así mismo, se las puede encontrar de acuerdo a la
necesidad ya sean del tipo industrial o estudiantil, también es importante señalar que estas
dependerán de cantidad de entradas y salidas requeridas por el proceso, su tamaño, pero lo
más importante es la velocidad de muestreo de las señales, ya que de estas dependerá el
control y monitoreo.
Los acondicionamientos de las señales, pueden ser necesarios si la señal desde el divisor de
tensión hacia el hardware, no es la adecuada, ya que pueden producir daños al equipo, y por
ese motivo la señal es amplificada o des amplificada, o puede requerir del filtrado para
corrección. En la etapa de acondicionamiento de la señal de control o medición, se pueden
encontrar diferentes etapas muy bien definidas, aunque en ciertos casos alguna de estas no
se la necesite dentro del proceso.[60]
Amplificación.
Filtrado.
Aislamiento.
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77
2.3.1. AMPLIFICACIÓN
La señal de entrada; se debe amplificar de modo que su máximo nivel sea igual o tenga el
mismo valor de la tensión que el convertidor o entrada pueda leer, esta debe tener una
escala de amplificación, sin que exista cambio en la señal.
2.3.2. AISLAMIENTO
El aislamiento eléctrico entre el divisor de tensión, ordenador y tarjeta de adquisición de
datos es importante para protegerlos de las diferencias de potencial producidas durante la
adquisición. Esto sirve para garantizar que las lecturas de la DAQ no se vean afectadas por
diferencias en el potencial de masa o tensiones en modo común. Si el sistema de
adquisición y la señal a medir se encuentran referidos a una sola masa, esto dependerá
exclusivamente del tipo de entrada que se disponga dentro de la DAQ. Además cada una de
las entradas del equipo de adquisición, debe tener un aislamiento de canal, para evitar
señales de otras entradas o de las salidas del equipo.
2.3.3. FILTRADO.
Este se encarga de eliminar las señales no deseadas o parasitas que aparezcan en el sistema
de adquisición de la señal. Ya que al medir los valores de red estandarizados para el centro
de control, se deberá omitir el ruido producido por los equipos electrónicos e interferencias
por las descargas que se produzcan dentro del laboratorio de Alta Tensión.
2.3.4. DIVISORES DE TENSIÓN.
El divisor de tensión, es una configuración de un circuito eléctrico que comparte la tensión
que se genera por una fuente de voltaje entre una o más impedancias conectadas en una
configuración de serie. A continuación se resaltarán algunos casos específicos de divisores
de tensión de acuerdo a los tipos de corriente alterna y continua.
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78
2.3.4.1. DIVISORES DE RESISTIVO
El divisor resistivo, es un circuito eléctrico en el que el voltaje que se ingresa es superior al
de la salida, con lo que se obtiene una reducción del mismo. Este divisor resistivo, se
compone de dos resistencias conectadas en serie, y de estas dos, el punto medio es la salida
del divisor como se muestra en la figura 2.19. [61][62]
Figura 2.19. Divisor resistivo70
Al ingresar un voltaje en el punto Vin, obtendremos una reducción del voltaje en el punto
Vout. Para este cálculo de la disminución del voltaje en el punto Vout, se aplica en la
ecuación 2.6:
(2.6)
Dónde:
Vin: es el voltaje de entrada del divisor [Voltios].
Vout: es el voltaje de salida del divisor [Voltios].
R2 y R1: son las resistencias [Ohm].
70
Figura propia del autor.
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79
2.3.4.2. DIVISOR CAPACITIVO
Para el divisor capacitivo, ambas impedancias son puramente capacitivas, las cuales son C1
y C2 como se muestra en la figura 2.20. En estos circuitos, las capacitancias suelen ser del
orden de los pico o nano faradios y los condensadores, suelen ser del tipo cilíndrico coaxial,
además brindan una solución al problema de la disipación de calor generado por el divisor
resistivo. Por lo que se explica en la ecuación 2.7. [63]
Figura 2.20. Divisor capacitivo71
(2.7)
Dónde:
Vin: es el voltaje de entrada del divisor [Voltios].
Vout: es el voltaje de salida del divisor [Voltios].
C2 y C1: son las resistencias [Faradios].
71
Figura propia del autor.
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80
2.3.5. TARJETA DE ADQUISICIÓN DATOS NI 6212 USB
Para esto se implementan con una tarjeta de adquisición de datos NI 6212 USB, que
permitirá la adquisición de los valores de voltajes producidos en cada ensayo de Alta
Tensión. La USB-6212 de National Instruments, es un módulo de adquisición de datos
(DAQ), con conexión USB como se muestra en la figura 2.21. Además mejorará la
adquisición de los datos, con una precisión superior a las obtenidas por los
microcontroladores. [64]
Figura 2.21. NI 6212 USB 72
Este tipo de tarjeta, posee 16 entradas analógicas, con una velocidad de muestreo de 400
kS/s y con cuatro niveles de entrada programable de ±0.2 V a ±10 V por canal, dicha tarjeta
no requiere de mucho espacio para ser utilizada dentro del campo, esta utiliza la tecnología
NI Signal Streaming, la cual permite la transmisión de datos bidireccional a alta velocidad,
y permite acceder a la memoria para escribir o leer, independientemente de la unidad
central de procesamiento, facilitando la adquisición de datos, el esquema interno de
procesamiento de la tarjeta se lo presenta en la figura 2.22.
72
National Instruments, <http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/207096>
[consulta: 28 de enero 2013]
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81
Figura 2.22. Configuración circuito de entrada analógica 73
Los bloques principales que surgen en el circuito de entrada USB-6212 analógico, son los
siguientes:
2.3.5.1. LOS CONECTORES E/S
En la tarjeta USB-6212, se pueden conectar señales analógicas, pero esto dependerá del
tipo de señal que se estudie, ya que cada señal, depende del tipo de referencia y de sus
niveles de tensión. Cada uno de los puertos de la USB-6212, cuenta con convertidores
analógicos-digitales (ADC), los cuales se encuentran antes de un multiplexor. La referencia
para cada una de las configuraciones se encuentra en la tabla 2.1.
73
National Instruments, Manual de Usuario NI 6912 USB, p. 37. [consulta: 28 de enero
2013]
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82
Tabla 2.1. Representación conexión de tierras de los equipos. 74
Referencia a tierra
Configuración
Fuentes de señal (no
conectado a tierra)
Tierra con referencia a las
fuentes de la señal
Diferencial(DIFF)
Sin referencias (NRSE)
Referencias a un solo
Extremo(RSE)
2.3.5.2. NI-PGIA
Este es un amplificador de instrumentación de ganancia, por lo que se puede amplificar o
disminuir una señal, de acuerdo a los necesidades, este dispositivo, se encuentra antes del
convertidor ADC, ofreciendo una alta precisión, incluso cuando se toman muestras de
múltiples canales con pequeños rangos de entrada a altas velocidades, en este caso cada
entrada puede ser programada individualmente y cada canal, puede mostrar un rango de
diferente precisión.
74
National Instruments, Manual de Usuario NI 6912 USB, p. 60.
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83
2.3.5.3. AI FIFO
Este puede realizar ambas conversiones de uno o varios para el caso del tipo Análogo /
Digital de un número fijo o infinito de muestras. Con lo que se pueden manejar múltiples
entradas analógicas para convertirlas en digitales, sin que existan interrupciones.
2.4. ESTUDIO DE EQUIPOS A IMPLEMENTAR
Dentro de este se debe tomar en cuenta las características técnicas del computador, ya que
de este dependerá el procesamiento de los datos, ya que lo que se busca principalmente es
la expansión del laboratorio de Alta Tensión, por lo que este debe contar con una placa base
Mainboard lo suficientemente recomendable para la expansión.
2.4.1. EQUIPO DE PROCESAMIENTO
La tarjeta madre tendrá que ser una Intel, de la serie media, por los beneficios que esta
puede brindar en futuras expansiones, ya que estas pueden tener un expansión grafica de
video y permitir tener tarjetas de adquisición y comunicación adicionales; la memoria debe
ajustarse de acuerdo a los programas informáticos que se requieran, por lo que cada vez que
estos se actualizan o cambian de versión, se vuelven de mayor tamaño para el disco duro y
suelen volver lento al computador. Para el centro de control, tendremos una mainboard
INTEL® DH67BL, con un procesador Intel® Core™ i7. Este cuenta con conectores DVI-I
y HDMI y es compatible con la conexión de pantallas dobles independientes para
procesadores con Intel® HD Graphics. Además es compatible con Intel® HD Graphics,
con el software de virtualización de GPU Lucidlogix* Virtu* que combina las mejores
características de procesamiento de los procesadores Intel® Core™ de 2da
generación con
el desempeño de las tarjetas adicionales de gráficos. [65]
Este ofrece características como: dos puertos SATA de 6 Gb/s, dos puertos USB 3.0 con
velocidad de enlace de 5 Gb/s y la tecnología Intel® de almacenamiento rápido para RAID,
que ofrece nuevos niveles de protección, desempeño y capacidad de expansión. Se contará
con memorias de 2 slots de memorias de 4GB DDR3, para mantener relación entre la
velocidad del procesador y la memoria requerida por el software de National Instruments y
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84
disco duro requerido que será superior al 500 Gb, para tener capacidad de almacenamiento
y de expansiones futuras con otros software. [65]
2.4.2. MONITORES O PROYECTORES
La parte de visualización, es importante ya que se requerirá de pantallas de alto rendimiento
visual superiores a las estándares, por lo que se necesitará de pantallas superiores a las 32
pulgadas, teniendo como base la comunicación de HDMI, DVI o VGA para la conexión de
estas pantallas con el computador. Se debe tomar en cuenta que ciertas mainboards no
cuentan con dos salidas de video, y este es un requisito indispensable para la visualización
con varios monitores, además esta tarjeta debe soportar los niveles gráficos de las distintas
configuraciones de video. Es recomendable el uso de pantallas Lcd, Plasma o Led esto
estaría de acuerdo al tamaño del laboratorio y su visualización.
La tarjeta utilizada será la Geforce 210 de 512 MB, ya que con esto se mejorara la calidad
de la imagen. Por lo que se puede realizar las presentaciones de un centro de control de una
manera nítida.
2.4.3. TARJETAS DE ADQUISICIÓN
Para la adquisición de datos tenemos como base la tarjeta NI 6912 USB la cual cuenta con
lo necesario para la adquisición de datos, pero se puede llegar a utilizar nuevas tecnologías
de adquisición de datos como lo son NI CompactRIO o NI CompactDAQ, que suelen ser
más eficientes en la adquisición de datos, ya que trabajan en ciertos casos con tecnología
FPGA, además dependerá del tipo de software que se posea para el control y monitoreo
durante la puesta en marcha del centro de control. A continuación se muestra un estado de
los puertos que la tarjeta posee dentro de la figura 2.23. Se utilizó este tipo de tarjeta, ya
que la Universidad Politécnica Salesiana, cuenta con las licencias y el equipo dentro del
laboratorio de Ingeniería Eléctrica, para la realización previa de un sistema SCADA; pero
hay que considerar, que esta cuenta con ciertos limitantes como: el nivel de tensión,
velocidad de muestreo, aislamiento entre canales y no podrá soportar interferencias
electromagnéticas.
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85
Figura 2.23. Terminales de NI 6212 75
Los acoples para las señales dependerán exclusivamente del nivel de impedancia que estos
tengan frente a la señal de entrada de la tarjeta de adquisición de datos. Estas son algunas
características que se tomarán en cuenta, para la elección de la tarjeta de adquisición de
datos, mostrados en la tabla 2.2.
75
Manual de Usuario de NI 6912 USB, p. 151.
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86
Tabla 2.2. Datos técnicos NI 6912 USB. 76
General
Entrada Analógica
Canales 16, 8
Canales de una sola terminal 16
Canales Diferenciales 8
Resolución 16 bits
Velocidad de Muestreo 400 kS/s
Máx. Voltaje de Entrada Analógica 10 V
Rango de Voltaje Máximo -10 V, 10 V
Precisión Máxima del Rango de Voltaje 2.69 mV
Sensibilidad Máxima del Rango de Voltaje 91.6 µV
Rango de Voltaje Mínimo -200 mV, 200 mV
Mínima Precisión del Rango de Voltaje 0.088 mV
Mínima Sensibilidad del Rango de Voltaje 4.8 µV
Número de Rangos 4
Muestreo Simultáneo No
Memoria Interna 4095 muestras
Especificaciones Físicas
Longitud 16.9 cm
Ancho 9.4 cm
Altura 3.1 cm
Conector de E/S Terminales de tornillo
Temporización/Disparo/Sincronización
Disparo Digital
76
National Instruments, “NI USB-6212 DAQ MIO de la Serie M de 16 bits, 400 kS/s,
Energizado por B”, <http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/207096>
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87
CAPÍTULO III
DISEÑO DEL SISTEMA DE SIMULACIÓN DEL CENTRO DE CONTROL
3.1. DISEÑO DE UN SISTEMA SCADA
Dentro de un sistema SCADA, hay que considerar los distintos tipos de software que
existen, ya que de estos dependerá el control y monitoreo del proceso, por lo que estos
deben brindar la posibilidad de ampliación, de acuerdo a las necesidades del usuario para
poder ofrecer la confiabilidad en la manipulación de datos. Dentro de cada uno de estos
programas, se tiene distintas formas para comunicarse con los actuadores o dispositivos en
red, por lo que al seleccionar el software, hay que considerar los protocolos que estos
pueden manejar, las distintas herramientas para procesar los datos, soporte técnico frente a
actualizaciones, la facilidad que tenga al unirse o combinarse con otros programas para
brindar reportes, etc. [66]
3.1.1. SOFTWARE
Para el diseño del sistema SCADA, se utilizará el programa Labview, como base para el
monitoreo del laboratorio de Alta Tensión, ya que este cuenta con las herramientas que se
la utilizarán en las pruebas de control y diseño, mediante una programación del tipo grafica
llamada lenguaje G, la que representa acciones básicas o avanzadas de algoritmos.
Los programas creados dentro del Labview, se los conoce como Instrumentos Virtuales o
VIs, los mismos que pueden ser utilizados dentro de otra sub-función o rutina, para la
llamada de una aplicación en común o generar procesos amplios con la unión de varios Vis,
estos poseen entradas y salidas de datos características de cada proceso de acuerdo a la
programación que utilice. Estos, pueden ser utilizados simultáneamente en los procesos de
medición y control SCADA, sin que existan conflictos en su utilización múltiple. El
ambiente de trabajo en Labview, se puede representar como dos paneles: como panel
frontal y el panel de programación como se muestra en la figura 3.1, en el primero se diseña
la interface del usuario, en la que se tiene los indicadores y controles para el proceso, y en
el segundo se programa con los algoritmos o herramientas que proporciona el programa
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88
para realizar el proceso de control o medida. Estos llegan a ser la base principal del
software Labview, además, este cuenta con diferentes herramientas necesarias para la
generación de reportes, aplicaciones del tipo Web, por medio de la herramienta de Web
Published, la posibilidad de que las variables sean puestas en la red de una manera sencilla
y sean utilizadas sin que exista problemas gracias a los distintos tipos de protocolos.
Figura 3.1. Diagrama de bloque y panel frontal.77
En la actualidad, el software posee librerías de funciones y subrutinas. Además, posee
funciones básicas de todo lenguaje de programación para la adquisición, cuenta con
librerías de control e instrumentación, comunicación, análisis de programa y guardado de
datos. Este software, proporciona instrumentos que facilitan la depuración de los programas
y brinda una interface amigable.
3.1.2. ADQUISICIÓN DE DATOS
Para la adquisición de datos, se debe seguir los siguientes pasos para la configuración:
Primero se debe tener abierto el programa de Labview y conectada la tarjeta de adquisición
de datos NI USB-6212, esta se instalará de acuerdo a la versión de Labview que se
disponga o se necesitara del CD que viene con la tarjeta. Con esto se debe seleccionar un
nuevo VI, con el que se trabajará para la adquisición de datos.
Luego, dar clic derecho sobre el Diagrama de Bloques (BlockDiagram), para que aparezca
la paleta de herramienta como se muestra en la figura 3.2; luego seleccionar la opción de
77
Figura propia del autor.
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89
Express en ella encontramos la opción de DAQ Assistant, para abrir el asistente de
configuración, se debe dar clic sobre el icono.
Figura 3.2. Sistema de adquisición78
Se configura el tipo de entrada como analógica o tipo de entrada de acuerdo a los
requerimientos del tipo de señal a monitorear o controlar, esta cuenta con dos tipos de
entradas y salidas, pero dependerá del tipo de tarjeta de adquisición de datos que se
disponga.
Para el caso se dispone de una tarjeta Dev 1 (USB-6912), la descripción de la tarjeta con los
puertos estarán de acuerdo al tipo de datos que pueda soportar, esta ventana se la presenta
en la figura 3.3, ya que estas pueden ser entrada o salida, con la ventana de información de
la tarjeta, se puede ver, si se cuenta con la entrada o salida requerida para la control o
monitoreo.
Figura 3.3. Pantalla selección de canal de adquisición79
78
Figura propia del autor. 79
Ídem.
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90
En la figura 3.4 se muestra la pantalla de configuración de los parámetros de operación de
la entrada o salidas, para nuestro caso las entradas, son del tipo analógicas.
Figura 3.4. Pantalla de configuración canal 80
En la ventana tenemos: el rango de entrada con el que trabajará y los límites de la tarjeta de
adquisición, en la pestaña Settings, se describe como 10 Volts el máximo y -10 Volts el
Mínimo y más abajo en la casilla TaskTiming, se tienen los tipos de adquisición para
nuestro caso es del tipo Continuos, como modo de adquisición e ingresa 1000 en la tasa de
frecuencia. Una vez, realizados todos los pasos, se deberá tener la señal del proceso a medir
por el canal seleccionado con los valores límites establecidos y con la velocidad de
muestreo deseado.
Finalmente, seleccionamos la opción de finalizar o aceptar teniendo como resultado un VI
de adquisición de datos como se muestra en la figura 3.5.
Figura 3.5. Vi de adquisición de datos 81
80
Figura propia del autor. 81
Ídem.
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91
Cabe mencionar, que este VI puede contener diferentes canales de adquisición, pero estos,
solo pueden tener una sola configuración en común.
3.1.3. HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS DE SEÑALES
Dentro de esta, tenemos las herramientas para realizar un análisis de las señales en
amplitud, duración, posición, ciclo, etc. Esta se encarga de realizar mediciones de voltaje en
una señal producidas por el laboratorio de Alta Tensión, se describirá brevemente las
herramientas utilizadas dentro del sistema SCADA.
A estas herramientas, se las puede encontrar en SignalProcessing
WavefromMeasurements; como se muestra en la figura 3.6
Figura 3.6. Paleta wavefrom measurements 82
Para cada una de estas, se obtienen diferentes herramientas, las cuales son capaces de
mostrar las características más comunes de una forma de onda. Para cada caso de estudio se
debe tomar en cuenta, que las señales tienen que ser continuas, ya que las herramientas
están diseñadas para dar el resultado del estudio en un tiempo continuo, estas a su vez
cuentan con una salida de error; si existiesen problemas en medir la señal. A continuación,
se mostrarán algunas herramientas utilizadas para el diseño del sistema SCADA.
Esta herramienta, devuelve los valores de las frecuencias, amplitudes y fases de una forma
de onda o un conjunto de formas de onda, con la que se puede obtener información
82
Figura propia del autor.
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92
importante del comportamiento del voltaje frente a las señales producidas por las descargas
atmosféricas realizadas en el laboratorio; el bloque se lo puede observar en la figura 3.7.
Figura 3.7.Extract single tone information83
Devuelve la amplitud, con los niveles de alto y bajo de una forma de onda o un conjunto de
formas de onda. Con esta se obtienen los valores respectivos de voltaje pico, que se pueden
encontrarán dentro del laboratorio de Alto Voltaje, el bloque; se lo puede observar en la
figura 3.8.
Figura 3.8.Amplitude and levels84
Este VI se encarga de realizar un análisis completo de los armónicos, incluyendo la
medición de la frecuencia fundamental y los armónicos, con los niveles de amplitud de
armónicos, y la distorsión armónica total (THD); El bloque se lo puede observar en la
figura 3.9.
Figura 3.9.Harmonic distortion analyzer VI85
83
Figura propia del autor. 84
Ídem. 85
Ídem.
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93
3.1.4. GENERACIÓN DE REPORTES.
Para la exportación de los datos, se utilizaron las herramientas de generación de reportes, ya
que estas permiten exportar los datos hacia un archivo específico, facilitando su
almacenamiento para su manejo a futuro, cada VI de la paleta de reportes realiza una
función específica; las cuales son: abrir, almacenar, cerrar e incluso la posibilidad de
modificar el estado de las propiedades del archivo; el bloque se lo puede observar en la
figura 3.10.
Figura 3.10. Paleta de generación de reportes.86
A continuación, se realizará una explicación sencilla de los componentes utilizados, dentro
de la elaboración del sistema SCADA.
Esta herramienta permite la creación o apertura de un archivo en Excel o Word, para iniciar
un reporte. Además, esta cuenta con características que facilitan la creación de un archivo
estándar de Windows, Word, Excel o HTML en los que se pueden personalizar, guardar o
imprimir el informe y la opción de establecer el sitio de destino para guardar la
información; el bloque se lo puede observar en la figura 3.11.
Figura 3.11. New report VI. 87
86
Figura propia del autor. 87
Ídem.
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94
Esta herramienta, permite guardar el informe del archivo con el que se trabaja cono ruta
específica. Además permitir confirmar que todos los datos previamente ordenados se
guarden dentro del archivo, con las características que el usuario las haya establecido; el
bloque se lo puede observar en la figura 3.12.
Figura 3.12. Save report to file VI.88
Esta herramienta, permite imprimir un informe a una impresora designada o hacia la
impresora predeterminada por el usuario; el bloque se lo puede observar en la figura 3.13.
Figura 3.13. Print report VI. 89
Esta herramienta muestra un informe HTML en el navegador Web, permitiendo la
visualización de los datos adquiridos durante el proceso; el bloque se lo puede observar en
la figura 3.14.
Figura 3.14. Open html report in browser VI.90
88
Figura propia del autor. 89
Ídem. 90
Ídem.
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95
Esta herramienta, cierra el informe y libera su interfaz, para ahorrar memoria. Una vez,
ejecutado este VI no se pueden realizar otras operaciones sobre el informe; el bloque se lo
puede observar en la figura 3.15.
Figura 3.15. Dispose report VI.91
La utilización ordenada de cada uno de estos, permitirá que los informes sean guardados de
una manera ordenada, para que no existan inconvenientes, por pérdidas de información al
momento de realizar las prácticas. Pero, cabe mencionar que se complementan con las
propiedades que se pueden manipular por VIs que se encuentran en la paleta de reportes,
estos son algunos de los VIs utilizados para la creación de reportes.
Dentro de un informe, se debe tomar en cuenta una estructura, para que los datos sean
mostrados, se ha previsto tener una primera hoja donde se obtengan todos los valores
guardados con las respectivos indicadores de la fecha y hora de la práctica, la segunda hoja
contendrá las características o comentarios ingresados por el usuario, y la tercera hoja
contendrá todo lo relacionado a las señales guardadas tomando en cuenta que se guardarán
de acuerdo a la primera hoja en el orden ya establecido.
Esta herramienta, añade un título a un informe de Microsoft Excel. Este el título aparece en
la celda superior izquierda de la hoja de cálculo actual. Por lo que cada hoja contendrá un
título de mediciones, señales guardadas; el bloque se lo puede observar en la figura 3.16.
Figura 3.16. Excel easy title VI.92
91
Figura propia del autor. 92
Ídem.
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96
Esta herramienta, coloca una tabla en un informe de Microsoft Excel. En esta se pueden dar
las propiedades de posición, tipo de texto en la tabla, límites en la tabla, asimismo; dentro
de ella podemos tener distintos tipos de opciones, para la edición de la tabla de datos
generada por cada una de las prácticas; el bloque se lo puede observar en la figura 3.17.
Figura 3.17. Excel easy table VI.93
Esta herramienta, cambia el nombre de la hoja de cálculo actual, permitiendo poner títulos
para manejar de mejor manera las hojas generadas dentro del informe; el bloque se lo puede
observar en la figura 3.18.
Figura 3.18. Excel rename worksheet VI.94
Esta herramienta, convierte una hoja de cálculo específica a la hoja de cálculo actual. Se
utiliza la hoja de trabajo de índice o parámetro name para especificar la hoja de trabajo que
desea establecer como actual. Una vez definida la hoja, se puede poner los datos de los
gráficos de Excel sobre imágenes de los VIs de las señales adquiridas por la tarjeta de
adquisición de datos, dentro de la hoja de Excel; el bloque se lo puede observar en la figura
3.19.
93
Figura propia del autor. 94
Ídem.
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97
Figura 3.19. Excel get worksheet VI.95
Dentro del SCADA, se deberán proporcionar de una manera ordenada la forma de guardar
los datos, pero estos solo deben constar de acuerdo a las prácticas realizadas, ya que si se
guardan datos continuamente de las señales de AC y DC, se tendrá como un simple
monitoreo de la señal a lo largo del tiempo; sin que exista una relevancia al momento de
obtener los datos, por lo que se realiza un VI, el cual permitirá que los datos con mayor
importancia sean guardados. A continuación, se demostrará el arreglo que se forma para
tratar de guardar los datos en el bloque, se lo puede observar en la figura 3.20.
Figura 3.20. Arreglo de variables. 96
95
Figura propia del autor. 96
Ídem.
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98
Este tipo de arreglo, nos permite tener de una manera ordenada los valores de voltaje en
AC, voltaje DC y el voltaje de impulso, pero además nos permite, tener la frecuencia en ese
momento, también se puede incluir los niveles de presión, distancia de las esferas y
temperatura al momento de realizar las distintas prácticas, se incluye la fecha actual y hora
en que se realizó la práctica, con estos se pueden tener los datos necesarios para realización
de una práctica ordenada; cabe mencionar que como en el laboratorio se realizan distintas
prácticas, estas pueden estar en función de otras variables, pero solo se tomarán los
parámetros más estudiados en el laboratorio. Como cada caso es particular y solo se
deberán guardar los datos de acuerdo a las prácticas, se implementó un condicional el cual
permite guardar solo los datos necesarios, este se encuentra en el caso de representación, ya
que cada caso contiene un arreglo de acuerdo a los parámetros de estudio. A continuación
se describirá cuales son:
Caso 0. : Cuenta con los valores de fecha-hora, estado de la medición, frecuencia,
voltaje de AC, voltaje DC, voltaje de impulso, presión, distancia de esferas, contaminación
y temperatura.
Caso 1. : Cuenta con los valores de fecha-hora, estado de la medición, frecuencia,
voltaje de AC.
Caso 2. : Cuenta con los valores de fecha-hora, estado de la medición, frecuencia,
voltaje de AC y voltaje de DC.
Caso 3. : Cuenta con los valores de fecha-hora, estado de la medición, frecuencia,
voltaje de AC y grado de contaminación.
Caso 4. : Cuenta con los valores de fecha-hora, estado de la medición, frecuencia,
voltaje de AC, voltaje DC, voltaje de impulso y distancia de esferas
Caso 5. : Cuenta con los valores de fecha-hora, estado de la medición, frecuencia,
voltaje de AC, voltaje DC, voltaje de impulso, presión, distancia de esferas y temperatura.
Caso 6. : Cuenta con los valores de fecha-hora, estado de la medición, frecuencia,
voltaje de AC, voltaje DC, presión, distancia de esferas.
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99
Con los distintos tipos de arreglos, se obtienen los diferentes arreglos; para cada caso de
estudio que se van a reflejar, dentro del reporte generado en el Excel. Para guardar las
señales producidas por el laboratorio de Alta Tensión; se empleó un VI, que permite
guardar la pantalla principal de la variable. A continuación, se detallará como se realizó el
proceso. Ya que en Labview se establecen los parámetros de cómo se deben cargar los
datos, este software comienza a leer de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo, por lo
que al situar los indicadores dentro del proceso de la creación de informes se tiene
problemas, ya que existe un retardo en la escritura, puesto que estos toman los valores en
los que el VI se encuentra, mas no los datos que se están monitoreando y se proceden a
guardar.
Por lo que se tiene que crear variables del tipo compartida, para poder llevar los datos de
una manera de que no exista retardo en la lectura y escritura, se dará clic dentro de un
proyecto creado en el cual nos establecemos en My computer, luego clic derecho, para
crear una nueva variable, como se muestra en la figura 3.21.
Figura 3.21. Creación de variable. 97
97
Figura propia del autor.
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100
Nos aparecerá, una pantalla con la que tendremos la opción de elegir si la variable que
creamos puede ser compartida para el proyecto, en red o del tipo publica cuando se dé
inicio al proceso; para nuestro caso será del tipo Network-Published y del tipo double
Wavefrom; para que pueda ser utilizada de una manera adecuada con los datos que son
adquiridos por la tarjeta de adquisición, la ventana de configuración se la puede observar en
la figura 3.22.
Figura 3.22. Cuadro de configuración de la variable.98
Dentro de las propiedades se pueden dar paso a que esta variable se comparta, por medio de
la red hacia otras PC o equipos para el control o monitoreo de las mismas. Una vez creada
la variable, se procede a crear una nueva variable del tipo global para que los datos sean
utilizados por el VI, este tipo de variables se encuentra en la paleta de estructuras, como se
observar en la figura 3.23; para este tipo de variables se procederá a abrir un nuevo Vi
donde se pueden crear objetos del tipo control o indicadores.
98
Figura propia del autor.
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101
Figura 3.23. Variable global99
Este VI, solo debe contener un solo objeto, una vez creado se da paso a guardar con el
nombre de la variable que se quiere medir, para que luego sea guardada en el reporte. Para
nuestro caso debe ser del tipo Waveform Graph por Voltaje AC, como se muestra en la
figura 3.24.
Figura 3.24. Waveform graph desde otro sub VI.100
Después, se procede a unir las dos variables, como se muestra en la figura 3.25 para que
exista comunicación de datos.
Figura 3.25. Comunicación entre la variable global- variable local101
Una vez, realizado la creación de estas variables, se da paso a realizar el guardado de la
pantalla, que a su vez, se encuentra con la señal del proceso, por el siguiente VI.
99
Figura propia del autor. 100
Ídem. 101
Ídem.
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102
Con esta herramienta, se puede crear una imagen del VI, al cual se le está dando referencia,
este es capaz de capturar la pantalla del panel frontal, como se muestra en la figura 3.26.
Figura 3.26. Append front panel image to report VI. 102
Con esto, se tendrá la opción de guardar los datos de la señal producidas durante las
prácticas en el laboratorio de Alta Tensión. Por eso se creó de igual manera un arreglo
donde se tenga la posibilidad de seleccionar los casos de acuerdo a los parámetros a
estudiar, tomando en cuenta que estas imágenes, deben tener la propiedad de moverse cada
vez que se guarden, sin que exista problemas de sobre escritura. A continuación, se muestra
en la figura 3.27 el bloque creado con una explicación de cada caso.
Figura 3.27. Bloque encargado de guardar las señales de AC, DC e impulso 103
102
Figura propia del autor. 103
Ídem.
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103
El arreglo para el movimiento de la imagen, se fundamentó en las coordenadas
especificadas dentro del bloque VI. Append Front Panel ImagetoReport VI propiedad MS
office Parameters, este se basa en las coordenadas (x,y), para que cada grafica de cada señal
se encuentra en secuencia. Cada caso, tiene referencia solo hacia los vi que se desee
guardar, sin que se tenga inconvenientes con datos perdidos o información mal guardada,
por lo que cada VI correspondiente al sistema SCADA contendrá los parámetros de estudio
de acuerdo al caso.
Caso 0: Cuenta con los valores de voltaje de AC, voltaje DC, voltaje de Impulso.
Caso 1: Cuenta con los valores voltaje de AC, voltaje DC.
Caso 2: Cuenta con los valores de voltaje de AC.
Al tener todas las herramientas necesarias, para comenzar a exportar los datos al archivo
que seleccionemos, debemos realizar la estructuración de nuestro reporte. El bloque se le
denomino Formato.vi, el que permitirá guardar los datos en un archivo de Excel, cada vez
que se realicen las prácticas, este estará en cada uno de los programas. A continuación se
muestra en la figura 3.28 el bloque realizado con las diferentes entradas y salidas.
Figura 3.28. Bloque para guardas los datos en el reporte.104
Este, cuenta con la opción de guardado de características o de detalles si el usuario lo
requiere, además, permite la exportación de los datos hacia un archivo HTML, para ver los
datos que se van guardando, sin la necesidad de abrir el reporte.
104
Figura propia del autor.
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104
3.1.5. SISTEMA SCADA EN FUNCIÓN DE LAS PRÁCTICAS
Para que el sistema se pueda implementar, hay que considerar que se tiene diferentes tipos
de prácticas, y cada una consta de una configuración en especial, por lo que los valores
medidos, son diferentes. A continuación, se describirá lo que se realizó en cada práctica y
lo necesario para cada una de estas. Antes de la realización de las mismas, hay que
considerar que para la simulación de esta se deberán tomar en cuenta los niveles de tensión,
ya que de estos, dependerán los equipos utilizados para la realización del sistema, de
acuerdo a los protocolos y tarjetas de adquisición. [67]
Para el caso, se realizaron los divisores de tensión del tipo resistivos, al tener divisores de
tensión capacitivos, su costo es elevado y se producen efectos al ser medidos en baja
tensión, la señal de impulso al tener una forma de onda no fundamental 60 Hz se ve
afectada por los capacitores y se tendría lecturas erróneas, dentro de la adquisición de datos,
se debe tomar en cuenta que al momento de producir este tipo de señales se ven afectadas
las señales de AC y DC de un trasformador, por lo que se implementó del mismo modo que
en la señal de impulso divisores de tensiones resistivos.
3.1.5. 1. APLICACIONES DE DIVISORES
3.1.5. 1.1. DIVISOR DE TENSIÓN DE VOLTAJE EN AC
Al tener un divisor de tensión del tipo capacitivo durante las prácticas de alto voltaje, se
encontraron los valores indicados en la tabla 3.1:
Tabla 3.1. Cálculos de los voltajes en AC utilizados en el laboratorio de Alta Tensión.
Capacitor 1 1E-09 Faradios
Capacitor 2 6,8E-07 Faradios
Voltaje Entrada 100000 Volts
Voltaje Salida 146,84288 Volts
Relación 681
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105
Todos estos valores, se los encontró con la fórmula de divisores de tensión capacitivos
señalados en la ecuación 2.7 la cual es:
Ya que la salida del trasformador de Alta Tensión tiene como tensión nominal 100kV, la
relación sale a partir de los valores de la parte derecha de la ecuación para el voltaje en AC,
por lo que tenemos como voltaje de salida 146.8428 VAC, el cual llega al equipo con una
entrada máxima de 0-150 Vrms. Con este voltaje se debe hacer otro divisor de tensión, para
adecuar este voltaje en función de la tarjeta de adquisición, ya que se está manipulando
niveles de tensión elevados para la tarjeta de National Instruments, por lo que se
necesitarán de resistencia de un valor de ohmios y potencia elevadas, pero como estas
resistencias se encuentran en función de la potencia; y hay que considerar que en el
mercado solo podemos encontrar ciertos valores comerciales, se requerirá de un arreglo de
resistencias estándares, para obtener los valores adecuados para las entradas de voltaje de la
tarjeta de adquisición, al utilizar divisores de tensión resistivo; se tiene la ventaja que no
dependerá de la frecuencia y la corriente disminuirá, el arreglo se muestra en la figura 3.29.
Figura 3.29. Divisor resistivo para 150 V del equipo DMI 551 hacia la DAQ105
105
Figura propia del autor.
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106
Se demuestra la tabla 3.2 de los valores calculados en función de la caída de tensión que
existirá en cada resistencia, además, se muestra la relación obtenida para ser utilizada
dentro del programa.
Tabla 3.2. Cálculos del voltaje en AC presente en el equipo DMI 551 del laboratorio de Alta
Tensión.
R1=R2=R3 10000 Ohm
R4 680 Ohm
Voltaje Entrada 146,8429 Voltios
Voltaje Salida 3,254666 Voltios
I Total 0,004786 Amperios
Voltaje 1=2=3 47,862737 Voltios
Voltaje 4 3,254666 Voltios
Relación AC 45,117647
Como se puede apreciar esta configuración, hace que el nivel de tensión que caiga en cada
divisor sea de 47.86 Voltios y con una potencia de 0.22 Watios; por lo que se puede
trabajar, para la salida tendremos una de 3,2546 Voltios lo que facilitará las pruebas con la
tarjeta de adquisición. Con esto se tiene un control del calor producido por la corriente
utilizada en el laboratorio de Alta Tensión. La relación que se encuentra a partir de esta es
de 45.1176, una vez, con los valores de las relaciones se puede partir para encontrar los
datos reales dentro del monitoreo dentro del sistema SCADA.
3.1.5. 1.2. DIVISOR DE TENSIÓN DE VOLTAJE EN DC
Este divisor es del tipo resistivo, ya que el valor que se tiene de la señal de entrada es del
tipo rectificada de media onda, por lo que se le aplica un divisor de tensión resistivo para
que esta pueda ser reducida, el nivel de tensión para que pueda ser acoplada con el equipo
de medición DMI 551, y de esta manera obtener la medición de tensión en DC, este proceso
se lo muestra en la figura 3.30.
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107
Figura 3.30. Circuito para la medición en DC.106
Para este caso, se realizará un análisis con ayuda del cálculo integral para demostrar cómo
se obtiene el voltaje de DC a partir de la señal del voltaje en AC, esto se lo realizará a partir
de la ecuación 2.5.
La ecuación descrita anteriormente, nos permite calcular el voltaje de la onda fundamental,
una vez obtenida esta función; debemos encontrar una expresión, la cual nos permita
relacionar la señal de media onda con respecto a una expresión matemática.
Obteniendo la ecuación 3.1.
(3.1)
106
Figura propia del autor.
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108
Con la ecuación 3.1, se encuentra el nivel de tensión producido por el divisor de tensión, ya
que se utiliza el voltaje nominal de 100000 voltios del trasformador como voltaje Vo(rms).
Obteniendo por el remplazo el valor de:
Este, es el voltaje que se encontrará en la salida del divisor de tensión, cuando el
transformador se encuentre trabajado al 100 % del voltaje nominal, se aplica la ecuación
2.6.
Ya con las ecuaciones planteadas se realiza el cálculo en función de los valores nominales
del equipo, obteniendo los siguientes valores representados en la tabla 3.3.
Tabla 3.3. Cálculos de los voltajes en DC utilizados en el laboratorio de Alta Tensión.
R1 280000000 Ohm
R2 15000 Ohm
V Entrada 45015,81581 Voltios
V Salida 2,411432377 Voltios
I Total 0,000160762 Amperios
Voltaje 1 45013,40438 Voltios
Voltaje 2 2,411432377 Voltios
Relación 18667,66667
Ya que el voltaje de salida que se obtiene por los rectificadores, tienen una tensión de 100
kV con media onda, se tiene como resultado a partir de los cálculos una salida filtrada de
45015.8158 voltios, los mismos que están presentes dentro del circuito para la medición de
DC, pero al tener el divisor de tensión, este hace que el voltaje se reduzca a niveles de
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109
2,411432377 DC, ya que esta señal se encuentra en los niveles de tensión necesario para la
adquisición de datos, soportado por la tarjeta de National Instruments.
Figura 3.31. Divisor resistivo para 7.5 V del equipo DMI 551.107
Al definir el divisor, se procede a realizar los cálculos, estos deberán reflejar los valores
requeridos en resistencia para los voltajes de DC de los equipos de control que se
encuentran en el laboratorio, estos valores calculados se lo reflejan dentro de la tabla 3.4.
Tabla 3.4. Cálculos de los voltajes en DC para el equipo de medición DMI 551 del laboratorio
de Alta Tensión.
R1 330 Ohm
R2 220 Ohm
V Entrada 2,4114324 Voltios
V Salida 0,965 Voltios
I Total 0,0043844 Amperios
Voltaje 1 1,4468594 Voltios
Voltaje 2 0,964573 Voltios
Relación DC 2,5
107
Figura propia del autor.
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110
Al tener los valores, se procederá a la multiplicación de los valores de las relaciones
obtenidas durante los procesos de medición en el equipo de Alta Tensión y la relación que
se da en los divisores para la tarjeta de adquisición de datos.
3.1.5.1.3. DIVISOR DE TENSIÓN DE VOLTAJE EN IMPULSO
Ya que dentro del laboratorio tenemos una señal; la cual se produce por la ruptura del
dieléctrico del aire, sea esta espontánea o manipulada, por lo que dentro de cada divisor
empleado se lo utiliza de una manera que la señal no se pierda, la señal que va dar paso al
estudio de la señal de impulso. Se puede apreciar un divisor de tensión del tipo resistivo
dentro de la figura 3.32, el mismo que al producirse la disrupción, se encarga de disminuir
el nivel de tensión.
Figura 3.32. Circuito para la medición del impulso108
Ya que el divisor de tensión, se encuentra configurado de manera inversa, es decir que tiene
al voltaje de entrada como salida y el de salida como entrada, se puede invertir la ecuación
del divisor de tensión para encontrar el voltaje que pasa hacia el divisor de tensión en AC.
Por lo que se aplica la ecuación 2.6 teniendo como despeje el voltaje de entrada.
108
Figura propia del autor.
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111
Figura 3.33. Circuito para la medición del impulso109
Teniendo como resultado el valor del voltaje de impulso en la tabla 3.5:
Tabla 3.5. Cálculos de los voltajes del impulso del laboratorio de Alta Tensión.
R1 375 Ohm
R2 2400000 Ohm
V Entrada 45020,43772 Voltios
V Salida 45013,40438 Voltios
Ya con el voltaje de entrada, se puede calcular el voltaje la salida del divisor de tensión,
hay que tomar en cuenta que esta señal contendrá, un sinnúmero de armónicos y será
superior al voltaje de DC del equipo de Alta Tensión, al tener el voltaje de entrada del
divisor de tensión, se tendrá que aplicar el divisor de tensión capacitivo para el estudio de la
señal de impulso generado por el equipo de Alta Tensión, para el caso la ecuación 2.7.
Pero a su vez, el equipo de medición de la señal de impulso es del tipo reactivo y este se
puede ajustarse a niveles de tensión de 140 kV, 280 kV y 420 kV. Este no muestra un valor
109
Figura propia del autor.
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112
de referencia, para utilizar la ecuación de divisor de tensión, se partió en función de la
relación obtenida por el equipo DMI 551, la cual nos muestra que el divisor de tensión de
impulso=395,2 ya con este se procede a realizar un cálculo de la aproximación del
capacitor, para tener como base el nivel de tensión, que se tendrá dentro del divisor de
tensión de la tarjeta de adquisición de datos.
A partir de la fórmula del divisor de tensión del tipo capacitivo, se encuentra la relación
base para cada una de las ganancias, por lo que en este caso, se lo realiza de manera inversa
teniendo la ganancia como base, para luego encontrar el valor del capacitor. Por lo que la
ecuación de despeje del capacitor queda de la siguiente manera:
Teniendo como relación la función de:
Ya que se tiene el valor del capacitor C1 el cual es de 1200 pico faradios
Al reemplazar ya dentro del divisor de tensión capacitivo, se puede observar los siguientes
resultados reflejados en la tabla 3.6.
Tabla 3.6. Cálculo de los voltajes del impulso para el equipo DMI 551
Voltaje Impulso
C1 1,20E-09
C2 4,73E-07
Voltaje Entrada(voltios ) 150000
Voltaje Salida(voltios ) 379,5546559
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113
El valor que da referencia como entrada el equipo es de 0 a 400 voltios en AC y este se
encuentra en los rangos obtenidos a partir de la relación calculada en función del voltaje
soportado por el capacitor de 1200 pf que es de 150 kV, por lo que se debe acondicionar la
entrada de voltaje de la tarjeta de adquisición de datos a niveles de tensión inferiores a los
10 voltios.
Para el caso se realizó un divisor de tensión resistivo, el cual permitirá disminuir el nivel de
tensión si en cierto caso se presentase valores altos de voltaje de acuerdo a cada práctica,
por lo que se puede observar el arreglo realizado dentro de la figura 3.34.
Figura 3.34. Divisor resistivo para 400 V del equipo DMI 551 hacia la DAQ.110
Al tener la distribución de las resistencias, obtenemos los siguientes valores expresados en
la tabla 3.7.
110
Figura propia del autor.
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114
Tabla 3.7. Cálculo de los voltajes de impulso para la tarjeta de adquisición.
R1= R2= R3= R4= R5 10000 Ohm
R6 680 Ohm
V Entrada 400 Voltios
V Salida 5,367 Voltios
I Total 0,007893 Amperios
Voltaje 1=2=3=4=5 78,93 Voltios
Voltaje 6 5,37 Voltios
Potencia 1=2=3=4=5 0,6229408 Wattios
Potencia 6 0,04236 Wattios
Relación 74,529412
Este tipo de divisor, está diseñado para soportar los niveles de tensión de 400 voltios si este
se presenta, ya que brinda la seguridad de que el divisor no se recaliente por las prácticas a
realizarse, aunque los ensayos de impulso o descargas atmosféricas sean de poca duración,
pero brinda seguridad en los niveles de tensión que la tarjeta de adquisición de datos
soporta, ya que esta tiene un nivel de tensión de 5 voltios DC y 250 mA del puerto de
comunicaciones del USB; Cabe mencionar, que los valores de relaciones o ganancias
obtenidos para la tarjeta de adquisición y equipo de Alta Tensión pueden variar de acuerdo
a la distancia que se tengan por los conductores que van desde el equipo de Alta Tensión
hasta los equipos de monitoreo.
3.1.5.2. APLICACIÓN DE LOS DIVISORES DE TENSIÓN
Los valores de los divisores de tensión, deberán constar dentro de un VI; ya que estos
marcan la relación de dependencia de los divisores, con respecto a la tarjeta o equipo que se
pueda implementar, al existir diferentes configuraciones dentro del laboratorio se puede
llegar a tener diferentes niveles de tensión. Este nuevo VI tiene la opción de cambiar las
ganancias, si se lo requiere. A partir de este caso se crean variables del tipo compartida,
para que se puedan exportar hacia otros VIs, este sub-proceso no se lo creo como otro sub-
VI por el tiempo de respuesta que existiría. A continuación, se muestra la programación
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115
realizada dentro de la figura 3.35.
Figura 3.35. Programación para los divisores de tensión.111
Cabe mencionar que al ser tan simple, el bloque solo se lo utilizará para cambiar las
constantes, por lo que se le tomará en cuenta como un Sub VI dentro de los programas, las
constantes se deberán mantener; solo si se ocupan la tarjeta de National Instruments actual
se utilizarán, los valores correspondientes al cálculo, si se requiere utilizar otra tarjeta se
deben modificar los valores obtenidos por los divisores de tensión, en función del nivel de
voltaje en la entrada de adquisición del equipo.
111
Figura propia del autor
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116
3.1.6. PRÁCTICAS DEL SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO
3.1.6.1. GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE EN AC 100KV
Para este tipo de práctica, se debe obtener la medición de los niveles de voltaje, frecuencia,
y la detección de los armónicos, además, se necesita mostrar la señal de AC dentro del
sistema de monitoreo. A continuación se muestra la programación en la figura 3.36.
Figura 3.36. Programación para análisis de la medición en AC.112
En este VI, se observa que se hace referencia únicamente al voltaje en AC, el que se está
midiendo con un rango de 0 a 10 Voltios, este puede ser cambiado, a través, de la fórmula
del divisor de tensión, por lo que se implementó un divisor del tipo resistivo, ya que es el
más óptimo para este caso.
El valor de la relación del divisor de tensión para el equipo interno del laboratorio de Alta
Tensión es de 680, y el valor de 2.5 que es valor de la relación del divisor de tensión para la
tarjeta de adquisición de datos, estos dos valores, deben ser multiplicados con el voltaje que
ingrese a la tarjeta para tener el voltaje real que se está midiendo en el laboratorio. En la
ecuación 3.2 se presenta las ganancias o relaciones obtenidas en cada divisor de tensión.
(3.2)
112
Figura propia del autor.
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117
Dónde:
VHV: es el voltaje obtenido por el sistema de monitoreo, además del volteje presente
en el laboratorio de Alta Tensión.
VDAQ: es el valor del voltaje de la DAQ.
CDAQ: es el valor de la constante de ganancia del divisor de la DAQ.
CHV: es el valor de la constante de ganancia del divisor del equipo de Alta Tensión.
Despegando los valores obtenidos para el divisor de tensión en AC, se tiene la siguiente
expresión:
El valor obtenido esta representado por una varible global, que se encuentra dentro del Vi
de divisores de tensión, por lo que se procede a la mutiplicación de este valor con el voltaje
obtenido por la tarjeta de adquisición, el bloque final de la pogramacion se muestra en la
figura 3.37.
Figura 3.37. Programación de los divisores de tensión en AC113
Para guardar los datos dentro del reporte, se utilizó la herramienta creada con el nombre de
formato.vi. El mismo que nos permitirá guardar los datos que deseemos, además, se
113
Figura propia del autor.
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118
muestra la configuración que se dio para el caso de la medición de voltaje en AC, todo esto
se representa en la figura 3.38
Figura 3.38. Programación para guardar los datos reporte114
3.1.6.2. GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE EN AC Y DC
Para la práctica, lo que se realizó es la adquisición de las señales por dos canales con los
niveles de voltaje, medición de frecuencia, la detección de los armónicos en función de los
voltajes de AC y DC. Se le dio prioridad a la señal de AC y DC para la visualización dentro
del sistema de monitoreo. A continuación, se presenta la programación se representa en la
figura 3.39.
114
Figura propia del autor.
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119
Figura 3.39. Programación para análisis medición en AC y DC115
Como la señal del Voltaje AC, se la describió en el numeral anterior; el análisis se
enfatizará en la señal del voltaje en DC, ya que la señal es obtenida por la tarjeta de
adquisición con un nivel de voltaje de 0-10 voltios, por lo que se realizó un divisor de
tensión, para el caso de estudio se lo hizo del tipo resistivo.
El valor del divisor de tensión es de 18667,66667 en DC del equipo interno del laboratorio
de Alta Tensión, pero como este tiene otro divisor, se le debe multiplicar por 2,5 para tener
el voltaje real en DC que se está midiendo en el laboratorio, este proceso es similar al
realizado dentro del numeral anterior, ya que se utiliza la ecuación 3.2 para encontrar el
valor máximo obtenido durante la prácticas. A continuación se presenta la programación
realizada en la figura 3.40.
115
Figura propia del autor.
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120
Figura 3.40. Programación de los divisores de tensión en AC y DC116
En el Vi de formato, se le estableció un nuevo destino para guardar los datos, pero con la
nueva variable del voltaje de DC, además se estableció un nuevo arreglo para adjuntar los
valores de DC junto con los valores obtenidos en la práctica 1. A continuación, se muestra
la programación realizada en la figura 3.41.
Figura 3.41. Programación para guardar datos dentro del reporte 117
116
Figura propia del autor. 117
Ídem.
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121
3.1.6.3. GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE DE IMPULSO
Para esta práctica, se tiene que obtener tres señales por tres canales, además de realizar las
mediciones de los niveles de voltaje, medición de frecuencia, la detección de los armónicos,
y análisis de la señal de impulso. Para este caso hay que considerar que al producirse la
señal del impulso, el sistema de monitoreo debe guardar automáticamente los valores
registrados sin importar la velocidad en la que ocurre el evento, la programación se
describe en la figura 3.42.
Figura 3.42. Programación para análisis medición en AC, DC e impulso.118
El proceso es similar pero en este caso, tenemos una señal de impulso, por lo que se debe
volver a utilizar las relaciones obtenidas por los divisores de tensión, tomando en cuenta
que las relaciones deben ajustarse al nivel de tensión utilizadas dentro del laboratorio, estas
relaciones corresponde al circuito descrito en la figura 3.43.
118
Figura propia del autor.
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122
Figura 3.43. Circuito para la medición en impulso119
Ya con el bloque para la adquisición de la señal de voltaje AC, DC e Impulso se le adiciona
las contantes obtenidas para cada caso, haciendo que los valores medidos por la tarjeta sean
similares a los medidos por el equipo DMI 551. La programación se representa en la figura
3.44.
Figura 3.44. Programación de los divisores de tensión del impulso 120
Para este, se debe tomar en cuenta que debemos medir la distancia de las esferas, ya que de
estas dependerá la disrupción que se pueda generar en el equipo encargado de realizar y
medir el impulso atmosférico. Con esto se presenta un nuevo tipo de programación para
poder analizar y guardar la información, por lo que a continuación se muestra la
representación del evento a medir dentro de la figura 3.45.
119
Figura propia del autor. 120
Ídem.
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123
Figura 3.45. Representación del estado de las esferas durante la práctica.121
Dentro de la figura 3.45. se muestra la representación del proceso que se da en el
laboratorio de Alta Tensión, este tipo de ensayo se lo realiza a través de la distancia entre
las esferas, el sistema de monitoreo debe contar con indicadores de posición, estos a su vez
representan los dos micro-switchs, con este proceso se tiene referencia de la posición de
inicio en la que comienza, hay que mencionar que la distancia medida dependerá de un
sensor encargado de medir el número de pulsos, que se generan por el movimiento del
motor, el cual permite que las esferas se alejen o se acerquen. El número de vueltas
dependerá del número de ranuras que posea el encoder. El microswitchs deberá estar
ubicado en el extremo inicial y final para tener una referencia de inicio o final, con esto
poder determinar de una manera precisa la distancia de las esferas.
Hay que considerar que las revoluciones, dependerán de un número de ranuras que posea el
encoder, ya que al cumplirse el número total de pulso, se puede determinar como una
revolución. Por lo que se puede llegar a determinar la ecuación 3.3. en la que se establece
una relación simple de distancia en función de la revolución que se produce dentro del
equipo.
(3.3)
Todo este proceso, se lo realiza automáticamente por el Labview, ya que este tiene
incorporado la función de adquisición de datos, para determinar la posición. Este proceso es
121
Figura propia del autor.
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124
similar a la adquisición de una señal analógica, pero este para el caso es del tipo contador, y
dependerá del tipo de tarjeta de adquisición de datos que se utilice, para el caso; se
disponen de dos tipos de medida; los cuales son la lineal y angular estas dependerán de la
aplicación y del tipo de sensor. A continuación se muestra en la figura 3.46, la pantalla de
configuración del puerto en estado de contador.
Figura 3.46. Configuración de la entrada digital para medir posición.122
Luego se selecciona los puertos y parámetros de acuerdo a los sensores que se dispongan,
para el caso el número de revoluciones será de 90 pulsos y es equivalente a 1 revolución, al
tener definidos los parámetros, se procede a aceptar y guardar, se debe tener en cuenta que
deben existir dos sensores; los mismos que deben estar ubicados en los extremos para
resetear la distancia si se lo requiere, además, se dispone de una memoria interna para
guardar la posición en la que se encuentre las esferas.
Ya que la señal de impulso, es demasiado grande y rápida para mostrarla dentro de un
indicador gráfico, se debe realizar una programación que permite guardar la señal desde el
principio de la señal hasta el fin de la misma, por lo que el sistema de base de datos se lo
realizará, a través, de archivos de interface TDMS en Labview, ya que este permite tener de
una manera organizada los datos, mejorando la eficiencia.
122
Figura propia del autor.
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125
La característica principal de este tipo de formato es que se basa en una estructura; con tres
niveles de jerarquía, ya que el archivo contiene: el archivo con características, un grupo y
canal respectivo.
Labview nos permite realizar una gestión de datos, a través, de varias herramientas; por lo
que tenemos tres elementos básicos para la gestión de estos archivos:
El primero NI TDMS, el cual se encarga de la gestión interna de los datos de
almacenamiento con las propiedades de almacenamiento, esta se encuentra en la
paleta de programación de los reportes.
El Data Finder NI, para localizar rápidamente los datos previamente almacenados y
realizar un estudio del mismo.
El NI DIAdem o el Toolkit de LabVIEW Data Finder, para el procesamiento de
datos y creación de informes.
A continuación, se presentarán los vi encargados de guardar la información, por medio de
los archivos tdms, para estos se utilizó las herramientas que se encuentran dentro de la
paleta de Storage/data plugins.
3.1.6.3.1. HERRAMIENTAS PARA GUARDAR LAS SEÑALES DE IMPULSO.
Este VI, permite crear un nuevo archivo, remplazar un archivo existente o abre archivos de
datos de almacenamiento del tipo TDMS, TDM entre otros. Este bloque se lo representa en
la figura 3.47.
Figura 3.47. Open Data Storage.123
El VI agrega un grupo de canales o canal a un archivo que se especifique, el canal es
seleccionado dentro del cuadro de diálogo de la configuración, además, puede crear un
123
Figura propia del autor.
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126
bloque de señal de entrada que le permite añadir una señal a un canal existente. Este bloque
se lo representa en la figura 3.48.
Figura 3.48. Write Data.124
Devuelve una matriz de referencia que representará a los grupos de canales; se selecciona
Channel, como el tipo de objeto para leer en el cuadro de diálogo de configuración, este VI
Express, puede devolver los datos del canal con formato de datos dinámicos o matrices de
datos específicos. También puede utilizar esta VI Express para ver los grupos de canales
que cumplan las condiciones de consulta que especifique. Este bloque se lo representa en la
figura 3.49.
Figura 3.49. Write Data.125
Esta herramienta permite cerrar un archivo de datos y debe utilizarse este VI Express para
cerrar un archivo de datos después de que termine de leer o escribir en el archivo, con esto
se evita la pérdida de memoria que puede ocurrir si no cierra el archivo de datos. Este
bloque se lo representa en la figura 3.50.
Figura 3.50. Close data126
124
Figura propia del autor. 125
Ídem. 126
Ídem.
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127
Se define las propiedades del archivo existente para un grupo, canal o canales. Este se
configura antes de conectar a la referencia del almacenamiento, la configuración puede
cambiar dependiendo del tipo de propiedades. Por lo que no se pueden dar referencias de
unos a varios ya que deben contar con las mismas características o propiedades. Este
bloque se lo representa en la figura 3.51.
Figura 3.51. Vi Express Set Properties Data127
Este VI permite realizar un análisis de los datos guardados dentro del archivo permitiendo
clasificarlos por las señales que se desee estudiar. Este bloque se lo representa en la figura
3.52.
Figura 3.52. Data File Viewer128
Una vez descrito las herramientas básicas utilizadas para la creación de una base de datos,
se puede dar explicación a la configuración del sistema para el almacenamiento de las
señales de impulso producidas, este se lo realiza de tal manera que se pueda almacenar
señales continuas, sin que exista restricción en el tamaño de las señales.
3.1.6.3.2. PROGRAMACIÓN BASE DE DATOS PARA LA SEÑAL DE IMPULSO.
Al tener como base una archivo .tdms lo que se debe crear, es una ruta donde se pueda
guardar los datos, luego generar una condición, la cual nos permita realizar una
comparación. Ya que la señal de impulso cuenta con una señal AC y DC, de la que se
desconoce de su respuesta, por lo que cada una de ellas tendrá diferentes condiciones de
127
Figura propia del autor. 128
Ídem.
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128
producirse. [68] Los impulsos que se utilizan dentro del laboratorio tienen un frente con
aumento lineal, o transitorio de forma oscilatoria o aproximadamente rectangular, como se
muestra en la figura 3.53. A los impulsos con una duración de frente de hasta 20 us, se los
considera como impulsos atmosféricos, y aquellos con una duración mayor son impulsos de
maniobra.
Figura 3.53. Puntos críticos de la señal de impulso129
La programación debe ser capaz de guardar a partir del punto 1 hasta el punto 3, como se
muestra en la figura 3.53, como la señal de impulso que se genera de una forma controlada
o se produce por una disrupción son tan rápidas, hay que considerar el guardar
exclusivamente la variación de esta señal, mas no guardar continuamente datos que no se
utilicen. Se puede observar cómo se crea la onda con un tiempo T1. A este se lo conoce
como frente de la señal y el tiempo T2, que es la duración de la cola. Dentro de las normas
IEEE Std 4-1995 IEEE Standard Techniques for High-Voltage Testing, se encuentran los
valores definidos para una tensión de impulso atmosférico normalizado, ya que este es un
impulso pleno con una duración de frente de 1,2 us y una duración de 50 us, por lo que se
puede expresar como un impulso 1,2/50.[69]
129
IEEE Standard Techniques for High-Voltage Testing, IEEE Std 4-1995, p. 20.
(modificada por el autor.)
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129
Las tolerancias normalizadas de la tensión de impulso se detallan en la norma IEEE Std 4-
1995. Las características para esta prueba se describen en el anexo 5.
Valor de cresta ± 3%
Duración del frente ± 30%
Duración del hemivalor ± 20%
Al tener una onda tan rápida, se deben crear límites del tipo positivo y negativo, para tratar
de guardar todos cambios que se producen durante una señal de la onda viajera, por lo que
dentro del programa Labview, se tiene una herramienta apta de evaluar los límites y sacar
los puntos que se encuentren dentro de los límites. La herramienta se encuentra dentro de
Express → Signal analysis →Mask and Limit Testing Express VI.
Esta herramienta, permite definir los valores de límite inferior y superior, con lo que se
puede conectar una señal de entrada para compararla con los límites. El Vi encargado de la
comparación se muestra en la figura 3.54.
Figura 3.54. Mask and Limit Testing Express.130
Con esta configuración se podrá indicar si los limites se ha superado, y se podrá tener una
respuesta de guardado hacia la base de datos y del reporte. La estructura se presenta en la
figura 3.55.
Figura 3.55. Programación para detectar los límites de la señal.131
130
Figura propia del autor. 131
Ídem.
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130
La programación deberá leer los datos guardados el archivo .tdms y deberá mostrarlos en
un wavefrom char, además, deberá sacar los valores máximos de amplitud y localización de
la señal. La estructura de la programación se presenta en la figura 3.56.
Figura 3.56. Lectura de datos de la señal de impulso generada132
La siguiente programación, tendrá que escribir los datos de la señal de impulso producida,
creará canales de señales independientes al momento de guardar, sin que exista pérdidas de
la señal por sobre escritura. Todos estos pertenecerán a un solo grupo de canales del
archivo TDMS. La estructura de la programación se presenta en la figura 3.57.
Figura 3.57. Lectura de datos de la señal de impulso generada133
Al tener esta herramienta construida, se tiene como base para poder ver la señal completa
del impulso atmosférico, además, se complementa con un registro, el cual guarda de una
manera ordenada los datos, pero hay que tomar en cuenta que los datos son guardados
132
Figura propia del autor. 133
Ídem.
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131
automáticamente, cada vez que se produce el evento eléctrico, ya que es muy rápido para
que el usuario lo pueda guardar normalmente. Por lo que en la figura 3.58 se describe el
estado del programa para guardar la señal de impulso.
Figura 3.58. Programación para guardar señal de impulso. 134
Para este tipo de señales, se procedió a realizar una simulación donde se pueda dar a
conocer los valores comunes para este tipo de señal de impulso, frente a lo obtenido en el
laboratorio de Alta Tensión. En la figura 3.59 se muestra la pantalla de simulación.
Figura 3.59. Programación para guardar señal de impulso.135
134
Figura propia del autor. 135
Ídem.
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132
Esta simulación, se basó en la ecuación 3.4, propuesta dentro de la norma IEEE Std 4-1995.
[70]
(3.4)
Dónde:
Vin(t): es la señal resultante(Señal de impulso).
Vo: es el voltaje pico de la señal.
α: es el valor de tiempo de frente de la señal de impulso(1,2 us ±30%).
β: es el valor de tiempo de cola de la señal de impulso (50 us ±20%).
t: es el tiempo en el que se produce el evento.
3.1.6.4. PRUEBA DESTRUCTIVA DE LA RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL AIRE
En esta prueba lo que se debe monitorear, son las señales de voltaje en AC, DC e Impulso,
además, también el monitoreo de las señales del encoder el cual marcara la distancia de
separación de las esferas. El programa es similar a la generación y medición de alto voltaje
de impulso, pero en este se prueba la rigidez dieléctrica del aire, por lo que citaremos una
ecuación, la que permitiría la demostración de este fenómeno. La Ley de Paschen, se
fundamenta en el estudio de la tensión disruptiva en las láminas paralelas envueltas de gas,
ya que estas se encuentran a una presión y distancia característica de cada ensayo, por lo
que la ecuación 3.6 representa esta ley. [71][72]
(3.5)
Donde, para el caso del aire se tiene que los valores:
Vbmin: es el voltaje de disrupción mínimo.
A = 12
B = 365
ν = 0,02
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133
Los valores de algunos gases requieren de mediciones, a continuación, se presenta los
valores de algunos de los gases se dan en la tabla 3.8. [71]
Tabla 3.8. Chispas mínima para diferentes gases.
Gas (pd)min Vb min volts
Aire 0,55 352
Nitrógeno 0,65 240
Hidrogeno 1,05 230
SF6 0,26 507
CO2 0,57 420
O2 0,7 450
Neón 4 245
Helio 4 155
Pero hay que considerar que A y B son mediciones donde intervienen la presión y distancia
haciendo la dependientes de estas, además, de la ionización por lo que se llega a la ecuación
3.7 en función del criterio de Townsend para campos uniformes. [71]
(3.6)
Donde
Vb: es el voltaje de disrupción.
p: es la presión en atmosferas.
d: es la separación o distancia en centímetros.
Con esta fórmula, lo que obtendremos son los valores para sacar los niveles de disrupción,
para tener relación con la práctica, ya que este da referencia a los componentes básicos los
cuales son:
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134
La forma de los electrodos.
La distancia entre ellos.
La presión del aire.
Temperatura y humedad.
Ya con la ecuación 3.7, se procede a utilizarla dentro del programa descrito en la figura
3.60, a través, de una herramienta con la que puede ingresar la ecuación de manera sencilla
para solo obtener el resultado.
Figura 3.60. Bloque de aplicación de la fórmula de Parchen.136
Como de esta solo va a depender una entrada para medir la distancia y más una de la
presión. La presión se la puede considerar como 1 Atmosfera o se puede utilizar un sensor
de presión para tener un mejor resultado. Al tener todos estos, se aplica lo de la práctica
medición de alto voltaje de impulso, ya que esta generará, un impulso atmosférico
recortado por la descarga a tierra.
3.1.6.5. PRUEBAS DE AISLAMIENTOS DE UN TRANSFORMADOR DE 13.8 KV
Para las pruebas en los aislamientos de un transformador, se deben tomar en cuanta pruebas
como:
Prueba al aceite del transformador. (referido a la práctica 6)
Medición de la resistencia de aislamiento de los devanados.
Medición de la resistencia óhmica de los devanados.
Determinación de las características del aislamiento.
136
Figura propia del autor.
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135
3.1.6.5.1. MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO DE LOS
DEVANADOS.
Este tipo de prueba se lo realiza, a través, de un instrumento de medición Megger, ya que
consiste en medir la resistencia de aislamiento de un transformador, las especificaciones
para realizar este tipo de pruebas, se las puede encontrar en la norma IEEE C57.12.90, en
esta se puede tomar algunas características importantes. Ya que esta prueba se la realiza
cuando el transformador recién está construido, a continuación se describen ciertas
características que el transformador debe de tener antes de energizarlo como lo son:
La temperatura de los devanados y del líquido aislante deben encontrarse a 20° C.
Todos los devanados del transformador deben estar sumergidos en el mismo líquido
aislante.
Todos los devanados deben de estar cortocircuitados y las boquillas del
transformador deben estar en su lugar.
Todas las terminales que no se consideran en la prueba así como la carcasa y el
tanque deberán conectarse a tierra mientras se aplique el voltaje de prueba.
"La resistencia de aislamiento se define como el valor de la resistencia en megaohms
que ofrece un aislamiento al aplicar un voltaje de corriente directa durante un tiempo dado
y medido a partir de la aplicación del mismo."137
Para el caso del laboratorio de Alta Tensión, se lo realiza por medio de la práctica de
generación de la señal de impulso como se observa en la figura 3.61. Por lo que este tipo de
prueba mide la capacidad que tiene un transformador para soportar una sobre tensión,
producida por una descarga atmosférica. A esta se la representa con las siglas en ingles
BIL, que significan basic impulse insulation level, y en español nivel básico de aislamiento
de impulso; los valores de este tipo de prueba se los puede encontrar en la norma Std
C57.12.00-2000, IEEE Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,
137
G. E. Harper, “El libro práctico de los generadores, transformadores y motores
eléctricos”, LIMUSA, 2000, p. 114.
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136
Power, and Regulating Transformers, en la que se describen los valores permisibles para
cada tipo de transformador y características para realizar las pruebas.
Figura 3.61. Configuración para medir aislamiento en el transformador138
Las pruebas de resistencia de aislamiento deberán realizarse con los circuitos de igual ó
diferente nivel de tensión conectados entre sí y realizar las configuraciones de los circuitos
de diferente nivel de tensión de la siguiente manera: [73]
Alta tensión vs. Baja tensión
Alta tensión vs. Tierra
Baja tensión vs. Tierra
CIRCUITO A: La configuración es en Alta – Baja – Tierra, conectamos el Primario a Alta
Tensión, Secundario a Baja y luego a Tierra.
CIRCUITO B: La configuración es en Alta – Baja – Tanque - Tierra, conectamos el
Primario a Alta Tensión, Secundario a Baja, la conexión del Tanque a Baja y luego a
Tierra.
CIRCUITO C: La configuración es en Baja – Alta –Tanque - Tierra, conectamos el
Primario a Baja Tensión, Secundario a Alta, la conexión del Tanque a Baja y luego a
Tierra.
Dentro del laboratorio de Alta Tensión, se cuenta con un trasformador para realizar las
pruebas descritas previamente, este tiene un voltaje de entrada de 13,8 kV en el lado del
138
Figura propia del autor.
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137
primario y un voltaje de salida de 220/210 Voltios en el lado del secundario. Dicho
transformador se muestra en la figura 3.62.
Figura 3.62. Transformado utilizado en el laboratorio 139
La programación para el sistema SCADA es similar al descrito en la generación de
impulso, ya que se guardarán los parámetros de voltaje en AC, DC, Impulso, frecuencia,
distancia de las esferas, además, el usuario deberá describir dentro de las opciones de
características adicionales, como se muestra en la figura 3.63.
Figura 3.63. Pantalla de características presente en el SCADA140
Todos los procesos realizados durante la práctica, deberán constar dentro de las
características adicionales, para que se guarden dentro de un reporte.
139
Figura propia del autor. 140
Ídem.
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138
3.1.6.6. PRUEBAS DE ACEITE DE UN TRANSFORMADOR
El programa debe estar en función de una práctica, como se describe en la figura 3.64,
donde esta dependa de la temperatura del aceite, ya que en este produce una disrupción
eléctrica por la ruptura del aislamiento, dentro de esta prueba se da conocer si existen
agentes contaminantes como: agua, polvo, partículas conductoras en el aceite. Ya que estos
pueden causar que se presenten valores bajos en niveles del aislamiento. Cuando un aceite
está muy contaminado, desarrolla valores bajos de rigidez, los cuales disminuyen el
aislamiento del transformador.
Figura 3.64. Configuración para la prueba del aceite 141
La prueba se fundamentó en la norma ASTM, ya que en esta se describe que se debe aplicar
un voltaje entre dos electrodos sumergidos en aceite con una distancia de acuerdo a las
normas a utilizadas, dentro del laboratorio se tiene los equipos necesarios para realizar esta
prueba. Ya para la práctica, el aceite debe estar dentro de un contenedor, para evitar que se
riegue el aceite dentro del laboratorio y como sujeción del equipo provisto para la práctica;
a continuación se presenta el equipo utilizado para la práctica en la figura 3.65.
141
Figura propia del autor.
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139
Figura 3.65. Equipo DKU para la prueba de rigidez dieléctrica del aceite 142
Dentro de este tipo de pruebas, se tiene dos normas en las que se describen el
procedimiento para medir el un aceite nuevo y en un aceite viejo o utilizado. [75][76]
ASTMD D1816: Prueba de voltaje de ruptura dieléctrico de origen petrolero
usando electrodos tipo hongo, con una distancia de separación de electrodos de 0.04
pulg.
ASTMD D877: Prueba de voltaje de ruptura para líquidos aislantes usando
electrodos tipo disco, ya que este ensayo es de un aceite nuevo y sin procesar, con
una distancia de separación de electrodos de 0.01 pulg.
Básicamente, el programa debe contar con una entrada para un sensor de temperatura para
que este pueda medir el proceso en tiempo real en la que se produce la disrupción eléctrica,
pero al ser un contenedor donde no se puede colocar un sensor directamente y tener el
aceite sobre otro recipiente y este no se encuentra en contacto con contenedor principal, es
casi imposible para un sensor de contacto medir la temperatura, por lo que se lo tomará de
forma manual; por medio de un sensor de temperatura infrarrojo. Este valor, deberá ser
ingresado de manera manual cuando el usuario de la señal de guardado dentro del sistema
de monitoreo, además, según la norma se realizarán distintas tomas de muestra
142
Figura propia del autor.
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140
aproximadamente 5 muestras indicando si estas se encuentran dentro de los parámetros de
una desviación estándar. La pantalla de visualización para esta prueba se la muestra en la
figura 3.66.
Figura 3.66. Representación de la prueba del aceite en el sistema de monitoreo.143
Para cada grado de contaminación existe un límite de ruptura del dieléctrico del aceite,
como se muestra en la tabla 3.9.
Tabla 3.9. Rigidez dieléctrica en distintos tipos de aceite 144
Aceites degradados y contaminados De 10 a 28 KV
Aceites carbonizados no degradados De 28 a 33 KV
Aceite nuevo sin desgasificar De 33 a 40 KV
Aceite nuevo desgasificado De 40 a 50 KV
Aceite regenerado De 50 a 60 KV
El sistema de monitoreo debe indicar cuáles son los grados de contaminación de los aceites,
para que las prácticas, se las pueda realizar de una manera ordenada y se logre reconocer el
grado de contaminación del aceite.
143
Figura propia del autor. 144
El ABC de las máquinas. Gilberto Henríquez Harper. Editorial Limusa, año 2004, p.
274.
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141
3.1.6.7. DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DIELÉCTRICAS DEL
AIRE
Esta se basa en función de las distancias de las esferas, para realizar esta práctica, se da
como base el principio de la Ley de Parchen, el cual utiliza el estudio de la tensión
disruptiva; para nuestro caso la práctica se la realiza en condiciones ambientales con aire y
la presión constante. La fórmula a utilizar se encuentra descrita en la ecuación 3.6.
La programación, debe ser capaz de mostrar la presión actual en la que se realiza el ensayo
y el usuario podrá consultar los valores de la presión actuales, por medio de internet, para
comprar las muestras obtenidas, y poder verificar si los valores obtenidos durante la
práctica, son los mismos; a su vez, el programa está destinado para guardar los valores de
disrupción, con las características de la presión en la que se encuentra realizándose el
ensayo, el sensor de presión debe tener un canal exclusivo para su adquisición dentro del
sistema de monitoreo.
Figura 3.67. Representación del estado de las esferas durante la práctica.145
145
Figura propia del autor.
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142
En los numerales anteriores se consideraba a la presión como constante, para este tipo de
prueba se mantendrá la presión de una atmosfera y solo se medirá la variación de la
distancia de las esferas, cabe mencionar que a mayor distancia se necesita de un mayor
voltaje para que ocurra la disrupción y a menor distancia se requiere de un menor voltaje
para la disrupción eléctrica.
Dentro de la norma IEEE Std 4-1995 "IEEE Standard Techniques for High-Voltage
Testing" se encuentran la forma de sacar la influencia de la temperatura y la presión
ambiental, frente a la disrupción eléctrica en función de la ecuación 3.8 [77]
(3.7)
Dónde:
d: es la densidad relativa del aire
T: es la temperatura (ºC)
p: es la presión atmosférica (mmHg)
Por lo que el factor de corrección, para el voltaje de disrupción, está dado por la ecuación
3.6, teniendo como base el factor de densidad del aire y la corrección por la humedad
descrita en la ecuación 3.7. [77]
(3.8)
(3.9)
Siendo:
k1 es la densidad del aire factor
k2 es el factor de corrección de humedad
Vo es el voltaje atmosférico de referencia estándar
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143
Para el caso de la humedad es prácticamente nula si no excede el 90% pero esto dependerá
de las condiciones ambientales donde se realice la prueba teniendo los valores de
corrección en la tabla 3.10 y llegando a una expresión final presentada en la ecuación 3.11:
(3.10)
Tabla 3.10. Corrección de densidad del aire
Densidad
relativa
aire
Factor de
Corrección
0,7 0,72
0,75 0,77
0,8 0,82
0,85 0,86
0,9 0,91
0,95 0,95
1 1
1,05 1,05
1,1 1,09
1,15 1,13
3.1.6.8. RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL AIRE A DIFERENTES PRESIONES.
La Ley de Parchen se basa en la distancia y presión, pero en este caso la distancia entre las
esferas es constante lo que varía es la presión, ya el aire tiene una rigidez dieléctrica de
aproximadamente de 32 kV/cm, si se lo expresa en función de la ecuación 3.5 teniendo una
presión aproximada de 1 atmósferas y distancia de 1 cm, por lo que se puede expresar un
valor aproximado para la ciudad de Quito que es de 30 kV/cm. Básicamente, se utiliza la
ecuacion3.6. para describir la disrupción eléctrica.
Lo que se realiza en el laboratorio es una variación en la presión, lo que hace que los
factores de la rigidez dieléctrica de aire se vean afectados por el cambio de la humedad del
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144
aire; produciendo un bajo índice de rigidez dieléctrica del aire y causando una disrupción,
en la figura 3.68 se observa la variación que tiene el voltaje en función de la presión y
distancia. Este se lo realiza por medio de los equipos de variación de presión DKU
(contenedor de esferas) y el juego de piezas DKU ZUB, los que brindan todo lo necesario
para realizar las pruebas bajo diferentes presiones.[77]
Figura 3.68. Dependencia del espaciado-presión de la rigidez dieléctrica de los gases curva de
parchen.146
De acuerdo al tipo de sensor que se utilice, se necesitará de la calibración y ajuste para
utilizarlo dentro del sistema de monitoreo, por lo que se deja abierto el tipo de sensor a
utilizar, a continuación se muestra la pantalla correspondiente al sistema de monitoreo para
rigidez dieléctrica del aire a diferentes presiones en la figura 3.69.
146
E. Kuffel, W.S. Zaengl and J. Kuffel, "High Voltage Engineering Fundamentals",
Second Edition, Butterworth-Heinemann, 2000, p. 338.
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145
Figura 3.69. Representación prueba de rigidez dieléctrica del aire a diferentes presiones.147
3.1.6.9. PRUEBA DE AISLADORES
Para la prueba de los aisladores hay que considerar que existen diferentes tipos de
materiales como: porcelana, vidrio y compuestos, los cuales se los utiliza para construir un
aislador y de acuerdo a estos el aislamiento del nivel de tensión varía.
Para las pruebas en un aislador en porcelana se realizar las siguientes pruebas con la norma
ANSI C29.1-1998. [78]
Prueba de tensión de flameo en seco a baja frecuencia.
Prueba de tensión de flameo bajo lluvia a baja frecuencia.
Prueba de tensión crítica de flameo al impulso positivo e impulso negativo.
Prueba de tensión crítica de radiofrecuencia.
Prueba de cambio brusco de temperatura.
Además, para realizar este tipo de pruebas se debe considerar la norma ANSI C29.3-1986,
en la que se detalla cómo debe encontrarse la superficie del aislador en condiciones
nominales como: limpio, seco y la aplicación de un nivel de tensión, con una frecuencia
147
Figura propia del autor.
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146
estándar para observar la tensión de contorneamiento en la prueba de voltaje aplicado, entre
otras.
Dentro de las normas mencionadas, se puede encontrar procedimientos para la realización
de este tipo de pruebas como: la aplicación de voltaje lo más rápido posible hasta alcanzar
el 75% del valor de voltaje nominal indicado por el fabricante del aislador. Este incremento
de voltaje debe estar en el rango de 5 segundos y máximo 30 segundos, después del 75%
del valor de flameo alcanzado.
Según la norma ANSI, se debe tener presente las condiciones de: presión barométrica,
presión de vapor, temperatura, humedad, densidad del aire.
Figura 3.70. Configuración para la prueba de un aislador.148
En este ensayo se debe tener en cuenta las normas de seguridad personal y del equipo a
utilizar, ya que se debe realizar la prueba de acuerdo a las normas establecidas para este
tipo de ensayos, el aislador debe estar físicamente en buen estado y limpio. El sistema de
monitoreo medirá los valores de voltaje en AC. Esta es representada en la figura 3.71,
además, el programa cuenta con una base de datos de un catálogo tomado de la página del
Ministerio de Electricidad y Energía Renovable en el siguiente link:
www.unidadesdepropiedad.com/, donde muestra un reposito digital de los materiales
normados para el uso de distribución de energía eléctrica.
148
Figura propia del autor.
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147
Figura 3.71. Menú de selección del tipo de aislador.149
Toda esta información es guardada dentro del reporte en el Excel o cuando se lo genera del
tipo HTML, además, si no se localiza dentro de la base de datos el tipo de aislador a
utilizar, el usuario podrá colocar las características del aislador utilizado durante la práctica.
3.1.6.10. PRUEBA DE AISLADORES EN CONDICIONES DE CONTAMINACIÓN
Para este tipo de prueba se considera el grado de contaminación que el aislador debe tener
para la práctica, ya que, al tener un mayor grado de contaminación, el aislador es más
propenso a sufrir ruptura dieléctrica, haciéndolo conductor y poniendo en falla al sistema
eléctrico de potencia.
Básicamente, el programa se basa en guardar de los valores nominales en los que los
aisladores pierden la característica de aisladores, pero en este caso también, debe guardar el
valor del grado de contaminación en la que se encuentre el aislador en el momento de
ruptura. La configuración es similar a un prueba de aisladores pero en esta el equipo de
prueba se encuentra con contaminación directa, para llegar a tener contaminación sobre el
aislador se tienen dos formas, la primera es colocando agentes contaminantes que creen
contaminación directamente sobre el aislador o de forma automática, con algún equipo que
149
Figura propia del autor
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148
se encargue de colocar continuamente agentes contaminantes. Por lo que se tomó como
recomendaciones para distancias de fuga en aisladores para ambientes contaminados, la
norma IEC 815, la cual se encuentra descrita en el anexo A4.
Al existir diferentes tipos de contaminación se creó un estándar como se puede observar en
la figura 3.72, para especificar los valores más comunes y poder utilizarlos dentro del
sistema de monitoreo, al tener una referencia de los niveles de contaminación se puede
poner estos valores dentro del sistema de monitoreo para que se guarden dentro del reporte
y puedan ser utilizados por el usuario.
Figura 3.72. Pantalla de características para la prueba de aisladores en contaminación.150
3.1.6.11. PRUEBA DEL PARARRAYOS
Para este tipo de prueba, se debe realizarla con corriente continua sobre el pararrayos, por
lo que implica el uso de un equipo de alto voltaje en una configuración de generación de
impulso para la medición de resistencia de aislamiento, midiendo la corriente de fuga que
circula por el pararrayos y el estado de las válvulas de óxido de zinc. Esta prueba es similar
a la de aisladores pero tomando en cuenta que el nivel de tensión es elevado en un tiempo
muy corto, la configuración se describe en la figura 3.73. [79]
150 Figura propia del autor.
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149
Figura 3.73. Configuración para la prueba de un aislador.151
Dentro de este tipo de pruebas, tenemos algunas características esenciales, que se deben
tomar en cuenta para ser analizados y que estos sean guardados dentro del sistema de
monitoreo. [80]
A continuación, se describe algunos parámetros de estudio para la prueba de un pararrayos
como:
La resistencia frente al impulso de corriente de larga duración se le aplican 18
impulsos, cada uno de estos con una duración de 2000 useg y con una energía
equivalente de 3 kJouls.
El Tiempo de operación de trabajo que se aplican es de 20 impulsos de amplitud
equivalente a la corriente nominal de descarga con una onda de 8/20 useg;
inmediatamente se aplican 2 impulsos de 100 kA con onda de 4/10 useg.
El pararrayo pasa las pruebas si es capaz de mantener la estabilidad térmica, la
medida del voltaje residual antes y después de la prueba y esta no puede variar en
más del 5%.
El sistema contará con los mismos parámetros de almacenamiento de datos que en los
aisladores, pero tomando en cuenta que este deberá registrar parámetros de una señal de
impulso, a continuación en la figura 3.74 se indica la base de datos creada y la
representación de la prueba a realizar
151
Figura propia del autor.
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150
Figura 3.74. Representación de la práctica de pararrayos.152
3.2. DIMENSIONAMIENTO DEL CENTRO DE CONTROL.
Para el dimensionamiento hay que considerar el espacio físico actual ya que se encuentra
compartido con el laboratorio de protecciones, por este motivo dependerá de la orden
especifico de los equipos y pantallas, las cuales permitirán la visualización de los valores
adquiridos durante cada ensayo.
Los equipos de control OT 276 y monitoreo DMI 551 actual se encuentra en frente de la
jaula de Faraday, esto se da para poder visualizar los eventos producidos por equipos de
Alta Tensión. Estos equipos deben mantenerse en dicho sitio, ya que por medio de estos se
controla el voltaje del trasformador primario y características específicas; para montar un
sistema de visualizaciones para el SCADA, se deben utilizar dos paneles, para que los
usuarios puedan ver los procesos sin que existan riesgos.
Se debe contar con una pantalla amplia en la que se pueda ver claramente los valores
adquiridos durante cada práctica y otra donde el operario pueda manejar de acuerdo a las
necesidades de los usuarios.
152
Figura propia del autor.
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151
Por ese motivo, se dio la necesidad de realizarla con una pantalla de 42 pulgadas que se
encuentre a la izquierda del equipo de control y monitoreo donde los usuarios puedan ver
los resultados de las prácticas sin que exista una aglomeración de una pantalla pequeña de
21 pulgadas, y la otra pantalla, debe ser expuesta por un infocus, este se enfocaría
directamente hacia la jaula de Faraday o pizarrón con esto el operador puede ver el proceso
y controlarlo, a su vez, permitir que los usuarios puedan observar la ocurrencia de los
procesos, ya que la proyección se verá afectada por la estructura metálica, la pantalla LCD,
plasma o LED permitirán apreciar de mejor manera los datos obtenidos, ya que al ubicar las
pantallas a un lado de los equipos de control existiría problemas de visualización para todos
los usuarios.
Lo indicado anteriormente se lo realizara, a través, de la tarjeta gráfica, ya que con esta se
podrán repartir las señales a los diferentes elementos de visualización.
La CPU, tarjeta de adquisición de datos y tarjeta de divisores de tensión; se deben localizar
a un lado o por debajo de los equipos de control actuales, ya que el CPU tiene conexiones
directamente con la tarjeta de adquisición, además, como esta deberá estar acoplada con los
divisores de tensión o directamente a las señales de los divisores de tensión del equipo
actual del laboratorio de Alta Tensión.
Los puntos de red deben estar ubicados en la parte izquierda, junto a la pared, con esto se
evita tener señales con ruido producidas por la cercanía a un laboratorio de Alta Tensión,
además, no podrán mezclarse los cables de comunicación de la red de datos con los cables
existentes de adquisición de datos para evitar problemas, los cables de datos deberán
ubicarse sobre el piso, con una canaleta especial y con una distancia de separación de 30
cm desde la jaula de Faraday, para evitar cualquier interferencia electromagnéticas,
producto de las prácticas realizadas en el laboratorio. El tipo de cable, que se sugiere para
las conexiones de la red hasta el computador del tipo FTP, ya brindará seguridad a los datos
que se envían por este canal. En el anexo 3 se demuestra como deberá ser la distribución
del centro de control en función de los equipos nuevos. En la figura 3.75 se demuestra la
distribución del centro de control en función de los equipos.
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152
Figura 3.75. Representación de la estructura del centro de control. 153
3.3. DIMENSIONAMIENTO ELÉCTRICO DE CONEXIONES Y PROTOCOLOS.
Dentro de las conexiones eléctricas y protocolos de comunicación, se deben tomar en
cuenta niveles de tensión, protección contra interferencias eléctricas, tipo de señal, tipo de
conexión que se debe realizar y los tipos de protocolos que se pueden utilizar dentro de un
laboratorio de Alta Tensión, ya que se deben de cumplir requerimientos de acuerdo al nivel
de tensión entre equipos, sean estos de control o monitoreo.
153
Figura propia del autor.
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153
3.3.1. DIMENSIONAMIENTO ELÉCTRICO DE CONEXIONES
En el dimensionamiento, se requerirá de nuevas conexiones eléctricas y de comunicaciones;
para las conexiones desde los equipos actuales hacia los equipos de monitoreo, a través, de
una conexión del tipo BNC para facilitar la adquisición de datos, en la figura 3.76 se
pueden observar las conexiones actuales en el equipo DMI 551.
Figura 3.76. Parte posterior del equipo DMI 551 con las entradas de BNC. 154
Al tener los conectores de entrada del tipo BNC, se pueden utilizar los acoples en T del tipo
BNC como se muestra en la figura 3.77, para separar la señal entre el equipo actual de
monitoreo y el sistema de monitoreo creado.
Figura 3.77. Adaptador BNC en T, hembra-macho-hembra155
154
Figura propia del autor. 155
Conexcon, CONECTORES COAXIALES BNC, LY,
<http://www.cenval.es/conectores/conexcon% 20PDF%20bis/2711.pdf>, p. 1. [consulta:
28 de enero 2013]
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154
Para los divisores de tensión, se deberán utilizar los conectores del tipo fijación para
montarlos sobre una placa o estructura, por lo que en la figura 3.78 se presenta un conector
de montaje del tipo BNC.
Figura 3.78. Conector BNC Hembra fijación156
Al tener bajas impedancias de los conectores las señales de voltaje en AC, DC e impulso no
se verán afectados. El cable a utilizar, debe estar dentro de los parámetros de un nivel bajo
de impedancia por metro, por lo que se utilizará con un cable coaxial, por requerimientos
de equipos y protección frente a interferencias electromagnéticas, para un cable del tipo
coaxial, se tienen porcentajes de índice de propagación de la señal, para nuestro caso, la
señal de propagación es de 83% la velocidad de la luz, el cálculo de la velocidad de
propagación es descrito en la tabla 3.11, cada tipo de cable tiene diferentes velocidades de
propagación. [81]
Tabla 3.11. Características de la velocidad de un cable coaxial.
Velocidad Porcentaje
300.000.000 100%
249.000.000 83%
156
ELECTRO DH S.A., Conectores BNC,” BNC hembra soldable” <
http://www2.electrodh.com:8080/st/cat/verItem.action?id=17904&d=1 >, [consulta: 28 de
enero 2013
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155
El tiempo de transmisión de la señal con dos metros de cable desde el equipo de medición
DMI 551 hasta la tarjeta de adquisición, será expresada en la ecuación 3.12:[81]
(3.11)
Con esta velocidad de trasmision los datos de la señal de Voltaje en AC,DC e impulso no
tendrán retardo dentro del sistema de monitoreo; el cable es el tipo coaxial RG 59 con las
siguientes caracteristicas descritas en la tabla 3.12.
Tabla 3.12. Características eléctricas del cable coaxial
Resistencia de onda 75 Ohm
Frecuencia de test hasta 1 GHz
Tensión máxima tolerada 2300 V
Con estas caracteristicas se tendrá un buen funcionamiento del sistema de monitoreo. Las
conexiones que se deberán tomar en cuenta dentro de la tarjeta de adquisición de datos,
deberán ser del tipo digital y analógico para el caso se considerarán:
Digital
Sensor de posición inicial (Final de carrera).
Sensor de posición final (Final de carrera)..
Encoder.
Analógico
Entrada de voltaje en AC.
Entrada de voltaje en DC.
Entrada de voltaje en Impulso.
Entrada de presión.
Entrada de Temperatura.
También, para tener un mejor monitoreo de la señal, se deberá tener nuevos sensores dentro
del laboratorio, estos deberán estar en parte interna registrando los valores temperatura,
presión, giro del motor para la realización de los ensayos de impulso. A continuación, se
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156
describirá; cuáles son los sensores requeridos por la carrera para este laboratorio, para
poder ser implementados conjuntamente con los equipos actuales y dar paso a la
adquisición para unirlos con el sistema de monitoreo.
3.3.1.1. PRESIÓN
Dentro del laboratorio se realizan prácticas que requieren el uso de un compresor para
determinar la rigidez dieléctrica del aire a diferentes presiones, esta va a depender de la
presión atmosférica actual y de un compresor que al extraer el aire contenido por el equipo
DKU(contenedor de esferas) que puede generar vacío como se muestra en la figura 3.79,
con esto se necesitará de un sensor capaz de medir la presión interna del contenedor, por lo
que este se debe conectar en la parte externa de las boquillas para poder medir la presión, a
continuación se muestra donde debería ir el sensor, además, se necesita de un canal en el
equipo de monitoreo para tener acceso a la presión actual.
Figura 3.79. Posición del sensor de presión en el equipo DKU 157
El sensor de presión, deberá tener como salida un nivel de tensión de 0 a 10 Vdc para
utilizarlo dentro de un sistema SCADA, ya que se realizó en función de la tarjeta de
adquisición de datos Ni USB 6212, pero considerando que se pueda utilizar otro tipo de
tarjeta, además, se creó un VI en función del tipo respuesta que se tenga por parte del
sensor.
157
Figura propia del autor.
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157
3.3.1.2. MOVIMIENTO
Dentro de las prácticas que se realizan en el laboratorio, tenemos algunos elementos
llamados equipo KF(Figura 3.80 a) que se usan para la configuración de la tensión de
impulso, el equipo AKF((Figura 3.80 b)) que se lo utiliza para controlar de forma remota o
por brecha, la esfera KF(Figura 3.80 a), este equipo se encarga de controlar las distancias
entre las esferas para la realización de las pruebas de generación y medición de alto voltaje
de impulso, prueba destructiva de la rigidez dieléctrica del aire y determinación de las
características dieléctricas del aire, todas estas prácticas se complementan con EZK(Figura
3.80 c), que es un disparador electrónico tipo esfera que se utiliza para generar impulsos
provocados en las configuraciones de tensión de impulso junto con el equipo KF(Figura
3.80 a).
Figura 3.80. a) Equipo contenedor de para esferas b) controlador de distancias de esfera c)
disparador electrónico para generar impulsos.158
Por lo que se recomienda la utilización de un encoder, el cual se encargará de medir las
revoluciones a través de los pulsos como se indica en la figura 3.81; y así, tener la distancia
entre las esferas, para que se puedan utilizar las fórmulas para las descargas disruptivas y
tener como probar lo práctico con lo teórico, cabe mencionar, que el equipo actual cuenta
con elementos calibradores para la realización de cada práctica.
158
HAEFELY, High Voltage Construction Kit, <http://www.haefely.com/pdf/LL_KIT.pdf>,
p. 22-24. [consulta: 28 de enero 2013]
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158
Figura 3.81. Funcionamiento del encoder al recibir datos por movimiento159
Actualmente en el laboratorio de Ingeniería Electica campus Kennedy, cuenta con encoders
de la marca VEX del tipo kit de eje óptico. Los que son utilizados en la Robótica, pero
podrían ser utilizados dentro del laboratorio con los acoples necesarios ya que tienen dos
salidas para detectar el sentido de giro. Pero al tener niveles de tensión elevados, se
necesitan de encoders industriales pues estos cuentan con las normas de seguridad y de
trabajo necesarias para ser implementados dentro de un laboratorio de Alta Tensión. A
continuación se mencionarán algunos encoders del tipo industrial.
3.3.1.2.1. ENCODER INCREMENTAL
Se basa en determinar la posición, contando el número de pulsos que se van generando por
el movimiento, cuando un rayo de luz pasa por orificios colocados sobre una superficie de
disco.[82]
3.3.1.2.2. ENCODER ABSOLUTO
El encoder absoluto, retiene una posición dada y es capaz de entregar la información de los
pulsos por revoluciones que se ha girado, y el sentido de giro; este tipo de encoder tiene su
propio código, ya que las ranuras por donde pasa la luz no son simétricas y cada una es
distinta a la otra, como se muestra en la figura 3.82.[82]
159 Benjamin Stephens, Mechanical Engineering, “Encoder_diagram.png”,
http://hades.mech.northwestern.edu/images /2/22/Encoder_diagram.png [consulta: 28 de
enero 2013]
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159
Figura 3.82. Encoder absoluto. 160
Para el laboratorio de Alta Tensión se deberá plantear la mejor opción para implementar, ya
que con el encordé incremental se deberá tener una posición inicial o final para resetear la
distancia, pero con el sensor absoluto se tendrá la capacidad de recordar la distancia en la
que se deja el equipo, para luego utilizarla o despreciarla si la práctica cambia, todos estos
parámetros deben ser estudiados para realizar un bloque capaz de obtener los datos
enviados por el sensor de posición.
3.3.1.3. TEMPERATURA
El sensor de temperatura que se utilizará para medir; será uno en el cual no se necesite de
contacto y a su vez tenga la función de que la señal medida sea enviada hacia la tarjeta de
adquisición de datos, este sensor deberá contar con una salida de corriente o voltaje; ya que
los ensayos son realizados por el equipo DKU (Contenedor de esferas) este se utiliza
principalmente para determinar la tensión de descarga disruptiva en las pruebas de aceite de
un transformador, porque este deberá ser usado para medir la tensión de descarga disruptiva
en aceite aislante.
3.4. SISTEMA DE MONITOREO CON BASE DE DATOS DINÁMICA Y
REPORTES WEB.
Al tener un centro de control, se debe tener una base de datos dinámica de todos los datos
histórico de los ensayos realizados para contar con respaldos, si en ciertos casos se
160
Eltra, “ENCODER ABSOLUTO DESCRIPCIÓN GENERAL”, <control-
gray.googlecode.com/files/Encoder%20Absoluto.pdf> [consulta: 28 de enero 2013]
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160
requiriera, además, se necesitan que estos datos sean enviados por medio de reportes de una
manera sencilla, a través, de los reportes Web.
3.4.1. SISTEMA DE BASE DE DATOS DINÁMICA
Los sistemas de bases de datos dinámicos son aquellos que pueden ser actualizados
periódicamente, además, se los puede modificar, borrar o añadir información de acuerdo a
las necesidades del sistema. El sistema de base de datos, se debe realizar de manera que los
datos puedan ser guardados de una manera ordenada y rápida por lo que se utilizó SQL de
Microsoft como el motor de bases de datos, donde se puede almacenar los datos obtenidos
en cada práctica de una manera fácil y ordenada. [83] Esto se lo realizó generando una
conexión de datos universal, por medio de un archivo .udl. A este se lo configura de tal
manera que es capaz de conectarse con la base de datos interna del computador, la misma
que almacena todos los datos de las prácticas.
3.4.1.1. CREACIÓN DE ARCHIVO .UDL
Para la creación de un archivo .udl, se lo realiza mediante Create Data Link, como se
observa en la figura 3.83., se encuentra en la barra de herramientas de Labview, este
permitirá crear la conexión base para guardar los datos.
Figura 3.83. Herramientas para creación de enlaces.161
161
Figura propia del autor.
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161
Una vez desplegado el cuadro de herramientas, tenemos los tipos de comunicación
existentes para diferentes programas de enlace, pero en nuestro caso debemos realizar una
comunicación con Microsoft OLE DB Provider for Sql Server como se muestra en la figura
3.84, ya seleccionado la interface, damos clic en siguiente.
Figura 3.84. Tipos de vínculos de datos162
Se selecciona el servidor con el que se va conectar para guardar la información, con su
respectiva base de datos, para nuestro caso tenemos que dar referencia a la base de datos
con el nombre SCADA_Alta_Tensión como se muestra en la figura 3.85, en esta se
guardará la información de cada una de las prácticas, con un nombre especifico y ciertas
características; para que el usuario pueda encontrar los datos de una manera sencilla.
162
Figura propia del autor.
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162
Figura 3.85. Características de la base de datos en SQL163
Ya con todos estos parámetros seleccionados damos clic, para probar la conexión y aceptar
para que nos permita guardar un archivo con la extensión .udl. Estos archivos, deberán
tener el nombre de cada una de las prácticas.
3.4.1.2. BLOQUE PARA GUARDAR LOS DATOS
Para esta programación, se la realizó a través, de las herramientas presentes dentro de la
paleta de Labview, específicamente en las opciones de Connectivity →Database como se
muestra en la figura 3.86, en esta paleta tenemos las herramientas necesarias para la
comunicación de la base de datos con el sistema de monitoreo.
163
Figura propia del autor.
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163
Figura 3.86. Herramientas de SQL164
Las herramientas que se utilizarán, son similares a las anteriores, ya que estas deben abrir,
leer o escribir y cerrar la comunicación, pero tomando en cuenta que cada bloque se
caracteriza de una manera específica como se muestra a continuación:
La herramienta abre una conexión de la base de datos utilizando la ruta de conexión y
devuelve una referencia de conexión, se describe en la figura 3.87.
Figura 3.87. Db Tools Open Connection VI165
La herramienta inserta una nueva fila en la tabla en la base de datos, esta debe contar con la
misma matriz de referencia antes de que los datos sean insertados, se describe en la figura
3.88.
Figura 3.88. Db Tools Insert Data VI166
164
Figura propia del autor. 165
Ídem. 166
Ídem.
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164
Permite seleccionar datos de la tabla de la base de datos que es identificada por referencia
de conexión; utilizando las columnas suministradas en la matriz de la misma, el bloque se
describe en la figura 3.89.
Figura 3.89. Db Tools Select Data VI167
Con la herramienta se cierra una conexión de la base de datos, mediante la destrucción de
su conexión de referencia, el bloque se describe en la figura 3.90.
Figura 3.90. Db Tools Close Connection VI168
Al tener estas herramientas, se procede a crear un arreglo para guardar los datos, ya que al
ser las prácticas diferentes no se deberá guardar ciertas variables y solo deberán contener el
caso de estudio, a su vez, como los datos dependen de un arreglo para la escritura y otro
que da referencia a los tipos de datos, se procede a crear un arreglo del tipo clúster y un
arreglo correspondiente a cada tipo de datos de cada práctica, ya que al mandar los valores
a la base de datos esta requiere que se la matriz del mismo orden, y si esta no llega a ser del
mismo orden, se ven conflictos dentro de la base de datos. El arreglo se detalla en la figura
3.91.
167
Figura propia del autor. 168
Ídem.
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165
Figura 3.91. Estructura de arreglo para la base de datos.169
Una vez creado los arreglos, se crean casos para que cada uno tenga un arreglo diferente
para guardar dentro de la base de datos, teniendo como bloque la estructura detalla en la
figura 3.92.
Figura 3.92. Selección de los casos para la base de datos en SQL.170
Con esto, se facilita de alguna manera el tamaño de cada tabla creada, ya que se omiten
datos no utilizados.
169
Figura propia del autor. 170
Ídem.
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166
Cabe mencionar que la tabla, deberá contener un nombre con el que se pueda identificar
cuando el usuario requiera tener acceso a los datos guardados, por lo que se creó un arreglo
de tal manera de que los datos que el usuario proporciona; sean los que se guarden en
referencia a la tabla creada como se muestra en la figura 3.93
Figura 3.93. Arreglo para guardar con un nombre especifico en la base de datos.171
3.4.2. REPORTES WEB.
Al tener un sistema basado en prácticas y que solo se posee un tiempo corto para
realizarlas, el monitoreo de las prácticas no es muy factible desde otro computador, por lo
que se realizó un sistema capaz de enviar los datos de la práctica realizadas por correo
electrónico, facilitando el archivo generado en la Web en formato de Excel; para su
manipulación si es usuario lo requiere.
Dentro de Labview, se tiene la posibilidad de obtener diferentes opciones de mandar los
archivos a la red, pero para el caso se requirió de un protocolo de comunicaciones capaz de
enviar un correo electrónico, ya con esto se utilizó el protocolo SMTP (Protocolo para la
transferencia simple de correo electrónico), es un protocolo de la capa de aplicación del
171
Figura propia del autor
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167
modelo OSI. Este protocolo de red se fundamenta en el intercambio de mensajes de correo
electrónico entre computadoras u otros dispositivos.
Se requirió de un servidor capaz de enviar los correos de acuerdo a la necesidad del usuario
y sea compatible con el software Labview, por lo que se utilizó el servicio de Webmail,
para tener la posibilidad de enviar correos a otros y tener respaldos de la información en un
correo propio del laboratorio. El bloque de programación se muestra en la figura 3.94.
Figura 3.94. Apertura del bloque de comunicaciones al servidor de E-mail172
172
Figura propia del autor
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168
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS Y PRUEBAS
4.1. VERIFICACIÓN DE HIPÓTESIS.
Al tener un centro de control dentro del laboratorio, se tendrá un mejor conocimiento de
todos los eventos producidos por el mismo; facilitando el manejo de datos de una forma
ordenada, para que los datos obtenidos puedan ser utilizados dentro de las asignatura de
Alta Tensión, Protecciones, SEP y diseño. El sistema de monitoreo diseñado, permitirá
monitorear los procesos que ocurren dentro del laboratorio, por lo que hay que tomar en
cuenta que estos deberán contener solo las características de cada tipo de ensayo a realizar;
sin que exista datos ajenos a la práctica.
Por lo que el software que se utilice para crear el sistema SCADA, debe permitir una mejor
forma de trabajar y análisis de los eventos eléctricos, ya que este se debe acoplar a las
necesidades del usuario, y que cada práctica puede ser reestructurada de acuerdo a los
equipos existentes o de futuras expansiones. La viabilidad del centro de control dependerá
de los sensores y acoples requeridos para su medición de las señales producidas. Además,
de brindar las facilidades tanto la profesor, estudiante o visitante, para comprender cada
uno de los eventos producidos por la Alta Tensión y facilitando la información a través de
reportes en formato de Excel y graficas de las señales de impulso en tiempo real, ya que el
sistema deberá estar diseñado para guardar los datos dentro de los archivos del laboratorio
en un formato compatible, para que el usuario pueda manejar la información; pero esta a su
vez, debe ser guardada dentro de un base de datos propia para el manejo del profesor o
respaldos para futuras investigaciones por parte de los alumnos o profesores de la materia.
4.2. ESTUDIO COSTO-BENEFICIO.
El estado del costo beneficio; se da a partir de la situación actual en la que se encuentra el
laboratorio de Alta Tensión, ya que este cuenta con las conexiones fundamentales entre los
equipos internos del laboratorio y los que se encuentran afuera de este, ya que solo se debe
realizar los acoples básicos para poder adaptar las señales a un equipo de control y de
medida. Las conexiones existentes deben acoplarse a conectores en T; y estos a su vez
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169
deben contar con un conductor que permita tener una conexión entre el equipo de actual -
Divisores de tensión-tarjeta de adquisición, o equipo de actual-tarjeta de adquisición. Los
valores pueden variar de acuerdo al sitio y tiempo, esto es un aproximado del costo descrito
en la tabla 4.1.
Tabla 4.1. Costo de conexión entre tarjera de adquisición y el DMI 551
Descripción Precio Cantidad Total
Conector BNC MACHO A DOS BNC HEMBRA $ 1,25 3 $ 3,75
Conector BNC MACHO $ 3,00 6 $ 18,00
Conector BNC para placa $ 1,50 3 $ 4,50
Cable coaxial (Metros) $ 2,00 6 $ 12,00
Caja metálica o aislada $ 5,00 1 $ 5,00
Fusibles $ 0,30 3 $ 0,90
Material Electrónico (Resistencias Potencia) $ 20,00 1 $ 20,00
Otros $ 60,00
Total $ 124,15
Los costos dependerán del tipo de tarjeta de adquisición de datos, ya que en ciertos casos
los valores de tensión limitan su uso y se requiere de la reducción de voltaje, haciendo que
los costos del sistema se vea afectado. Además, hay que considerar que dentro del centro de
control se deberá tener las señales respectivas de los sensores encargados de monitorear los
procesos eléctricos y físicos producidos por el laboratorio de Alta Tensión, por lo que a
continuación se describen los costos en la tabla 4.2.
Tabla 4.2. Costo de sensores y cables para tarjera de adquisición.
Descripción Precio Cantidad Total
Termómetro Digital Infrarrojo Apuntamiento Láser $ 90,00 1,00 $ 90,00
Encoder industrial $ 90,00 1,00 $ 90,00
Sensor final de carrera $ 20,00 2,00 $ 80,00
Sensor de presión $ 100,00 1,00 $ 100,00
Cables blindados conexión (Metros ) $ 800,00 1,00 $ 800,00
Otros(Adaptadores o acoples) $ 500,00 1,00 $ 500,00
Total $ 1.660,00
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170
Al tener un centro de control, se podrán efectuar distintas prácticas sobre los elementos
básicos del Alta Tensión como los son: pruebas a transformadores, aisladores, pararrayos,
entre otros elementos relacionados a la Alta Tensión; además, se tendrá un proceso de
investigación y desarrollo tecnológico dentro de la Universidad Politécnica Salesiana, ya
que se poseerá de una manera ordenada los datos para su utilización dentro de las materias
de Alta Tensión o para una empresa que requiera un informe de las pruebas realizadas.
Todos los resultados se verán manifestados en la optimización y aprendizaje cooperativo de
los estudiantes de la carrera de Ingeniería Eléctrica, pero a su vez, este puede llegar a
ayudar a las demás carreras afines como lo son: la carrera de Mecánica, Electrónica y de
Telecomunicaciones, ya que dentro de estos se pueden observar a distintos fenómenos
relacionados a cada carrera como lo son: resistencia de materiales, campo
electromagnético, entre otros efectos que se producen dentro de la Alta Tensión.
Por lo que se debe realizar la compra de equipos de visualización y monitoreo para el
centro de control, estos costos se los presenta en la tabla 4.3:
Tabla 4.3. Costo de equipo de visualización centro de control
Descripción Precio Cantidad Total
Computadora $ 800,00 1 $ 800,00
Impresora $ 250,00 1 $ 250,00
Cámara Web $ 30,00 1 $ 30,00
Televisión Lcd Sony 40" $ 629,00 2 $ 1.258,00
Conectores de Video (HDMI o RCA) $ 20,00 2 $ 40,00
Total $ 2.378,00
Para cada una de las acoples se deberá tomar en cuenta un presupuesto para los
profesionales que pueden adaptar dichos sensores dentro de este laboratorio, ya que se
requerirá en algunos casos de soldaduras o equipo especial, por lo que se deja un estimado
del valor de las horas requeridas por profesionales para adaptar dichos sensores en la tabla
4.4.
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171
Tabla 4.4. Costo de las horas profesionales.
Descripción Precio Cantidad (Horas) Total
Horas técnicas 100 4 $ 400,00
Total $ 400,00
Los costos de horas profesionales, pueden ser reducidos por parte de los docentes de tiempo
completo que actualmente se encuentran en el área de investigación de la Universidad
Penitencia Salesiana, Campus Kennedy; como parte de una investigación. El equipo de
adquisición de datos puede estar en función de las necesidades del laboratorio, por lo que se
sugieren los siguientes equipos descritos en la tabla 4.5 estos equipos son de la marca
National Instruments.
Tabla 4.5. Costo de equipos de adquisición.
Descripción Precio Cantidad Total
cRIO-9025, Real-Time PowerPC Controller for cRIO, 800
MHz 4.950,00 1
4.950,00
NI 9225 3-Ch +/-300V Analog Input 1.700,00 2 3.400,00
NI 9229 4-Ch ±60 V, 50 kS/s/Ch, 24-Bit,Ch-/-Ch Isolated
AI Module 1.470,00 1
1.470,00
NI 9227 4 ch current input, 5Amp, ISO, 50k, 24bit 1.130,00 1 1.130,00
NI 9435 4-Ch ±5-250 VDC, 10-250 VAC, 3 ms, Univ. DI 185,00 2 370,00
NI 9481 4-Ch 30 V, 60 V, 250 VAC EM Form A SPST
Relay 185,00 2
370,00
cRIO-9116, 8-slot Virtex-5 LX 85 Reconfigurable Chassis
for cRIO 3.630,00 1
3.630,00
NI PS-15 Power Supply, 24 VDC, 5 A, 100-120/200-240
VAC Input 285,00 1
285,00
RS232 Null-Modem Cable, DB-9 Female to DB-9 Female,
2m 35,00 1
35,00
E1 Ethernet Cable, Twisted-pair, 5 m 25,00 1 25,00
NI Standard System Assurance Program for CompactRIO 1.090,00 1 1.090,00
NI 1778 Smart Camera (1.6GHz Atom Processor, 5MP) 7.425,00 1 7.425,00
Total 24.180,00
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172
El costo de un centro de control para la Universidad Penitencia Salesiana, estará en función
a los requerimientos de las prácticas o ensayos, por lo que no es posible llegar a medir o
comparar el costo económico que representara para la Universidad con respecto a centros
de control actuales, ya que cada uno cuenta con diferentes tipos de exigencias, pruebas a
distintos voltaje y equipos especiales de acuerdo a sus necesidades dentro del centro de
control.
Dicho análisis parte en función de la capacidad instalada vs. el número de prácticas que el
estudiante o empresa necesiten realizar, ya que si se puede duplicar el número de prácticas
en relación a las que se realizan actualmente, se puede llegar a tener una sustentabilidad del
proyecto. Las variables fueron tomadas a partir de un estimado de 11-12 prácticas
realizadas durante el semestre tomando como base la instancia de tener 2 grupos de 10
estudiantes cada uno para la materia de Alta Tensión I, y del mismo caso para la materia de
Alta Tensión II. Con estos parámetros, se estima la recuperación, en función de tener
instalado en un solo laboratorio dos equipos de Alta Tensión, ya que al tener un laboratorio
con un centro de control y monitoreo se puede llegar a tener un 50% más de prácticas,
permitiendo brindar mayor eficiencia en seguridad, reducción del tiempo requerido para
tomar datos, procesarlos y visualizarlos.
Dentro de este se consideran egresos comunes para un centro de control para el caso de la
Universidad se consideran costos de mantenimiento o limpieza, gastos de servicios básicos
y materiales de oficina si fuere el caso de presentar reportes impresos. Asumiendo como
egresos para la parte administrativa los valores de la tabla 4.6.
Tabla 4.6. Costo de gastos administrativos.
GASTOS
ADMINISTRATIVOS 2013 2014 2015 2016 2017 2018
Luz 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00 10,00
Teléfono 20,00 21,15 22,37 23,66 25,02 26,46
Internet 20,00 21,15 22,37 23,66 25,02 26,46
Limpieza 5,00 5,29 5,59 5,91 6,26 6,62
Suministros de Oficina 10,00 10,58 11,19 11,83 12,51 13,23
Anuales 780,00 818,02 858,22 900,74 945,71 993,28
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173
Para el caso de los ingresos se tomó como referencia el 50% del costo de un laboratorio de
Alta Tensión, ya que con la implementación de un centro de control se puede mejorar el
tiempo de realización de las prácticas y aumentar el número de prácticas que se realizan,
teniendo como premisa que este valor deberá ser amortizado a 10 años y el valor anual de
18375.4 dólares que equivalen a una décima parte de un nuevo laboratorio de Alta Tensión,
este rubro seria el ingreso que la Universidad tendría, si se implementara un centro de
control. En la tabla se especifican los egresos e ingresos para el proyecto.
Tabla 4.7. Costos generales del proyecto
CONCEPTO Inversión
Inicial
Año 1
2013
Año 2
2014
Año 3
2015
Año 4
2016
Año 5
2017
INVERSIÓN 28942,15
Total Ingresos(laboratorio ) 18375,40 18375,40 18375,40 18375,40 18375,40
TOTAL INGRESOS 28942,15 18375,40 18375,40 18375,40 18375,40 18375,40
TOTAL EGRESOS 4209,08 4254,01 4301,53 4351,78 975,84
SALDO FINAL -28942,15 14166,32 14121,39 14073,87 14023,62 17399,56
La rentabilidad del proyecto, se la mide a través del Valor Actual Neto (VAN) y de la Tasa
Interna de Retorno (TIR) que tendría la Universidad al implementar dicho proyecto
presenta en la tabla 4.8.
Tabla 4.8. Indicadores Económicos
VALOR ACTUAL NETO 25.128
RELACIÓN BENEFICIO/COSTO (B/C) 86,82%
TASA INTERNA DE RETORNO (TIR) 40,79%
Llegando a la conclusión que este proyecto tiene una índice de recuperación de 5 años y si
es viable, si las variables económicas se mantienen. Además, la Universidad Politécnica
Salesiana, cuenta con recursos anualmente para cubrir proyectos o
reparaciones/actualizaciones de proyectos que ya se encuentran implementados y los
ingresos para cumplir dicho proyecto dentro de la recuperación puede ser en un menor
tiempo al requerido.
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174
4.3. FACTIBILIDAD TÉCNICA.
Dentro de la factibilidad técnica hay que tomar en cuenta ciertos aspectos, los cuales
proporcionarán la información necesaria para la realización de un proyecto como lo son: la
personal, equipos y de software.
4.3.1. PERSONAL
Para esto se requerirá de una ejecución del tipo técnica realizada por un Ingeniero o un
Estudiante que realice tesis de grado de la carrera de Ingeniería Eléctrica, ya que debe tener
conocimientos básicos de electrónica de potencia y de Alta Tensión, puesto que dentro de
este laboratorio, se tienen las conexiones eléctricas desde los equipos de Alta Tensión hasta
el equipo de control; y se debe tener conocimiento sobre adaptabilidad de equipos de cierto
nivel de tensión con otros, además, se debe aislar correctamente los cables para no tener
inconvenientes. Ya que se deben realizarse nuevas adaptaciones eléctricas.
4.3.2. HARDWARE
Se debe contar con tarjetas de divisores de tensión para reducir los voltajes, para que estos
puedan ser acoplados a las tarjetas DAQ, ya sean estas tarjetas de adquisición NI USB 6212
u otras tarjetas.
Para la parte de procesamiento de datos, la Universidad cuenta con computadoras
actualizadas de acuerdo a cada laboratorio, pero estas deben contener lo requerido para la
utilización del software como: Labview, Microsoft Office y Microsoft SQL Server
Management Studio. Se da como requerimiento lo siguiente:
Intel core i7 3.4 Ghz.
Main board Intel® dh67bl.
Memoria 8 Gb ddr3 pc-1333.
Disco duro 1 Tera Samsung / segate.
Procesador Intel Core i7 3.4 GHz lga -1155.
Dvddrw Lg / Samsung.
Case, teclado, mouse, parlantes.
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175
Lector de memorias.
Regulador de voltaje.
Tarjeta de video Geforce 210 de 512 MB o superior, con puertos de salida Hdmi.
Infocus.
Televisión Led, plasma o LCD 40".
4.3.3. SOFTWARE
El software que se utilizará es Labview para la parte de programación del centro de control,
Microsoft Office, el cual nos permitirá el abrir los archivos generados dentro del sistema de
monitoreo y Microsoft SQL Server Management Studio, este nos permitirá manejar y
administrar las bases de datos, si en cierto caso se requiere crear nuevos parámetros para el
almacenamiento de estos. Además, se requerirá de un antivirus para que nos proteja de
virus cuando se precise guardar información por parte del usuario en dispositivos
extraíbles.
4.4. FACTIBILIDAD DE IMPLEMENTACIÓN.
Se debe tener un diseño y planificación de todos los elementos que conforman el centro de
control, ya que de estos dependerá la obtención de los datos para que el sistema los guarde
y los muestre de acuerdo a las necesidades del usuario. Dentro de este se debe de contar con
la experiencia de colocar sensores de final de carrera de forma permanente dentro del
equipo KF encargado de acercar y alejar las esferas, el poner el sensor de presión en el
equipo de DKU el mismo que contiene las esferas cuando se realiza las prácticas de
disrupción a distintas presiones. Además, realizar los acoples necesarios para conectar los
sensores con los equipos de medida.
4.5. VERIFICACIÓN DE DATOS.
Los valores obtenidos durante la simulación, se los realizó de tal manera que estos valores
sean similares a los obtenidos durante una práctica en Alta Tensión, por lo que se
demostrará de una manera sencilla de acuerdo a cada caso.
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176
4.5.1. VOLTAJE ALTERNO O VOLTAJE AC.
Para el caso de la prueba de medición de voltaje alterno; se lo realizó de tal manera que se
pudo obtener un valor referencial, para luego darle un ganancia con las relaciones obtenidas
durante la realización de un sistema de monitoreo. Ya que una de estas se mantiene
constante por los valores referenciales de los equipos de Alta Tensión esta es de 681, luego
esta va a depender de la relación obtenida de los divisores de tensión para el acople con la
tarjeta de adquisición, en la cual se obtuvo un valor de 45.1176 con un valor máximo de
entrada de 3.2547 voltios, por lo que el valor de la ganancia total será de 30725.1176, ya
con estos valores, se pueden dar referencias de los valores obtenidos por la tarjeta de
adquisición de datos hacia el sistema de monitoreo. En la tabla 4.9 se muestran los valores
aproximados que el sistema de monitoreo representará de acuerdo a la entrada de la señal.
Tabla 4.9. Valores de voltaje alterno dentro del sistema de monitoreo
AC
Ganancia TOTAL 30725,118
Ganancia DMI 551 681
Ganancia DAQ 45,1176
Voltaje máximo 3,2547
Voltaje Entrada DAQ (Volts) Voltaje obtenido Equipo (Volts)
0 0
0,40625 12482,079
0,8125 24964,158
1,21875 37446,237
1,625 49928,316
2,03125 62410,395
2,4375 74892,474
2,84375 87374,553
3,25 99856,632
3,2547 100001,04
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177
El último valor representa el valor máximo que el sistema podrá representar dentro de los
límites del equipo de Alta Tensión, por lo que de este dependerá de los 150 voltios de la
entrada del equipo DMI 551. La prueba se lo realizó mediante otra tarjeta de adquisición de
datos midiendo el valor de entrada de la tarjeta de adquisición de datos teniendo un valor de
1.214 voltios como se muestra en la figura 4.1.
Figura 4.1. Valor obtenido de la medición del voltaje alterno173
Al tener el valor medido se multiplica con respecto a las ganancias encontradas durante el
proceso obteniendo los valores de la tabla 4.9, los cuales pueden mostrar un margen de
error durante la medición, ya que no se consideran algunas impedancias como son las de los
conductores y de conectores.
Tabla 4.10. Rangos de voltajes
Voltaje Entrada DAQ (Volts) Voltaje obtenido Equipo (Volts)
1,21 37177,392
1,214 37300,293
1,216 37361,743
Se puede observar el valor obtenido del voltaje en AC durante la adquisición de datos en la
figura 4.2, este varia ya que el proceso se lo realiza de forma dinámica y se tiene
variaciones durante cada toma de muestras.
173
Figura propia del autor.
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178
Figura 4.2. Valor de AC mostrado por el sistema de monitoreo174
4.5.2. VOLTAJE CONTINUO O VOLTAJE DC.
Para el caso de la prueba de medición de voltaje continuo, se lo realizó de forma similar al
voltaje de AC. Ya que el sistema de monitoreo requiere de valores de referencia en
ganancias para poder sacar los valores reales, el equipo de Alta Tensión en el divisor de
tensión resistivo se obtiene un ganancia de 18667,6667, además se obtiene la relación
obtenida de los divisores de tensión para el acople con la tarjeta de adquisición en la cual se
obtuvo un valor de 2,5 con un valor máximo de entrada hacia la tarjeta de adquisición de 3
voltios y con un valor total de ganancia de 46669,16 y máximo valor de entrada de 3
voltios.
Ya con estos valores se pueden dar referencias de los valores obtenidos por la tarjeta de
adquisición de datos hacia el sistema de monitoreo.
Se muestra en la tabla 4.11 los valores calculados que el sistema de monitoreo representara
de acuerdo a la entrada de la señal.
174
Figura propia del autor.
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179
Tabla 4.11. Valores de voltaje continuo dentro del sistema de monitoreo.
DC
Ganancia 46669,167
Ganancia DMI 551 18667,667
Ganancia DAQ 2,5
Voltaje máximo 0,6820561
Voltaje Entrada DAQ
(Volts)
Voltaje calculado del Equipo
(Volts)
0,075784008 5001,7093
0,151568017 10003,419
0,227352025 15005,128
0,303136033 20006,837
0,378920041 25008,547
0,45470405 30010,256
0,530488058 35011,965
0,606272066 40013,675
0,682056075 45015,384
El último valor representa el valor máximo que el sistema podrá representar dentro de los
límites del equipo de Alta Tensión, porque este dependerá de los 7,5 voltios de la entrada
del equipo DMI 551. La prueba se lo realizó mediante otra tarjeta de adquisición de datos
midiendo el valor de entrada de la tarjeta de adquisición de datos teniendo un valor de
1,394 voltios en AC, por lo que aplica el mismo criterio para encontrar un voltaje en DC,
para el caso del instrumento de medida aplicado da el valor de la tensión en voltaje pico
como se muestra en la figura 4.3.
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180
Figura 4.3. Valor obtenido de la medición del voltaje continuo175
Al tener el valor medido, se multiplica con respecto a las ganancias encontradas durante el
proceso obteniendo los valores de la tabla 4.3, los cuales pueden mostrar un margen de
error durante la medición, ya que no se consideran algunas impedancias como son las de los
conductores y de conectores. Los rangos obtenidos durante el cálculo se muestran en la
tabla 4.12
Tabla 4.12. Rangos de voltajes.
DC
Voltaje Entrada DAQ
(Volts)
Voltaje calculado del Equipo
(Volts)
0,57752047 26952,399
0,62752047 29285,857
0,67752047 31619,316
Se puede observar el valor obtenido del voltaje en AC durante la adquisición de datos en la
figura 4.4, este varía ya que el proceso se lo realiza de forma dinámica y se tiene
variaciones durante cada toma de muestras.
Figura 4.4. Valor de DC mostrado por el sistema de monitoreo.176
175
Figura propia del autor.
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181
Los valores pueden cambiar de acuerdo a la alimentación que el transformador tenga en el
primario, por lo que los valores registrados por el sistema de monitoreo se los realiza en el
secundario del transformador de Alta Tensión. Dentro de la simulación se lo realizó a
través de una maqueta, la cual tiene sus limitantes como lo es el nivel de tensión en AC de
±12 voltios, además de esto se realiza un divisor de tensión para el canal de voltaje en AC,
para luego tener una señal en DC por medio de una rectificación de media onda con filtro
similar a lo que ocurre dentro del laboratorio de Alta Tensión, pero dentro de la maqueta
ocurre que el nivel de DC que es diferente del calculado a partir del nivel de tensión en AC.
4.5.3. VOLTAJE DE IMPULSO.
Para el caso de la prueba de medición del voltaje de impulso, se lo realizó de tal que se
pudo obtener un valor referencial para luego darle un ganancia con las relaciones obtenidas
durante la realización de un sistema de monitoreo. Ya que una de estas se mantiene
constante por los valores referenciales de los equipos de Alta Tensión se basara en función
de la relación obtenida por el equipo DMI 551, ya que el elemento NTZ que es el
secundario del CB, el cual es encargado de medir la tensión de impulso, es del tipo reactivo
y sus características describen que puede ajustar a niveles de tensión de 140 kV, 280 kV y
420 kV.
Esta señal es un difícil de simular y de representarla dentro de una maqueta ya que solo
puede darse por efectos del uso de la Alta Tensión a niveles de altos de voltaje, ya que se
producen una forma de onda controlada de acuerdo a variables fijas como lo son: distancias
de las esferas, tiempos estándares de frente de onda o de duración, niveles de voltaje entre
otros factores; por lo que el sistema guarda de diferentes maneras las tensiones de impulso
que se puedan medir por el canal de medición de la señal de impulso, las formas que se
diseñaron hacen que se puedan guardar manual o automáticamente de acuerdo a la
situación en la que se presenten. Se tienen atrasos de guardado de la señal ya que el que
procesa los datos es el computador la tarjeta de adquisición, sirve solo como medio de
adquisición de los datos; y el computador soporta toda la programación de guardado,
procesamiento y análisis de las señales, haciendo la dependiente de la memoria, procesador
176
Figura propia del autor.
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182
y de las aplicaciones que se estén usando al momento de realizar operaciones básicas de
Windows 7.
4.6. REPORTES
Los reportes del sistema de monitoreo deben mostrar todos los parámetros de estudio. Por
lo que se presentará un esquema de los informes de acuerdo a cada práctica, al tener
diferentes prácticas dentro del laboratorio, y en ciertos casos se asumió que los parámetros
eran similares, hubo que dar relevancia a ciertos parámetros y características que el usuario
pueda necesitar dentro de un informe, en los que se presentan valores de medición en
función de una simulación del laboratorio, asumiendo en ciertos casos valores no
correspondientes a pruebas realizadas dentro de un laboratorio de Alta Tensión.
4.6.1. GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE EN AC 100kV
En este se va a encontrar los valores relacionados con la medición de frecuencia y voltaje
en AC. Además, se cuenta con la representación gráfica de la señal de voltaje en AC. Se
detalla el estado del reporte en el anexo 6.
4.6.2. GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE EN AC. Y DC.
En este se va a encontrar los valores relacionados con la medición de frecuencia, voltajes en
AC y DC. Además, se cuenta con la representación gráfica de la señal de voltaje en AC y
DC. Se detalla el estado del reporte en el anexo 6.
Este tipo de ensayo es solo una demostración de las mediciones que se pueden realizar
dentro de un laboratorio de Alta Tensión.
4.6.3. GENERACIÓN Y MEDICIÓN DE ALTO VOLTAJE DE IMPULSO
En este se va a encontrar los valores relacionados con la medición de frecuencia, voltajes en
AC, DC, impulso y distancia de las esferas. Además, se cuenta con la representación
gráfica de la señal de voltaje en AC, DC e impulso, ya que la señal de impulso tendrá la
posibilidad de mostrarse dentro de un informe general y la creación de señales
independientes en reportes en .pdf. Se detalla el estado del reporte en el anexo 6.
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183
La señal obtenida durante la práctica se guardará en un orden determinado, dentro de una
carpeta con la fecha, hora de inicio de la práctica y el curso, como se describe a
continuación: 8vo_04_12_2012_Hora_15_09_16.
4.6.4. PRUEBA DESTRUCTIVA DE LA RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL AIRE
En este se va a encontrar los valores relacionados con la medición de frecuencia, voltajes en
AC, DC, impulso, la distancia de las esferas y las condiciones de presión actual. También
se cuenta con la representación gráfica de la señal de voltaje en AC, DC e impulso. Y la
forma de onda de la señal de la rigidez dieléctrica del aire. Se detalla el estado del reporte
en el anexo 6.
La señal obtenida durante la práctica se guardará en un orden determinado, dentro de una
carpeta con la fecha, hora de inicio de la práctica y el curso, como se describe a
continuación 8vo_04_12_2012_Hora_15_09_16.
4.6.5. PRUEBAS DE AISLAMIENTOS DE UN TRANSFORMADOR
En este se va a encontrar los valores relacionados con la medición de frecuencia, voltajes en
AC, DC, impulso y la distancia de las esferas. Asimismo, se cuenta con la representación
gráfica de la señal de voltaje en AC, DC e impulso. Este tipo de reportes se basa en la
norma ANSI / IEEE C57.98-1986 "IEEE Guide for transformer Impulse Tests" a que se
miden los voltajes aplicados, frecuencias, tiempo de la onda de impulso aplicada (duración
de frente, cola y cresta). Se detalla el estado del reporte en el anexo 6.
En este se podrá apreciar el BIL aplicado al transformador, mejorando el conocimiento del
tipo de onda que se le aplica al trasformador para verificar el aislamiento. Estos parámetros
se describen dentro de la norma.
4.6.6. PRUEBAS DE ACEITE DE UN TRANSFORMADOR
En este se va a encontrar los valores relacionados con la medición de frecuencia, voltajes en
AC, DC, impulso, la distancia de las esferas y temperatura. Además, se cuenta con la
representación gráfica de la señal de voltaje en AC y DC con su respectiva desviación
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184
estándar para establecer si el aceite pasa o no por la prueba. Se detalla el estado del reporte
en el anexo 6.
Dentro del capítulo 3 se establece como base la norma ASTM D-1816 y ASTM D-877,
para cuyo caso se procede a sacar una desviación estándar y un promedio para dar paso a la
aprobación de la prueba o negarla para volver a tomar datos, estos valores de desviación y
promedio son ubicados dentro del reporte.
4.6.7. DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DIELÉCTRICAS DEL
AIRE
En este se va a encontrar los valores relacionados con la medición de frecuencia, voltajes en
AC, DC, impulso, la distancia de las esferas y presión actual. Además, se cuenta con la
representación gráfica de la señal de voltaje en AC, DC e impulso Se detalla el estado del
reporte en el anexo 6.
4.6.8. RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL AIRE A DIFERENTES PRESIONES
En este se va a encontrar los valores relacionados con la medición de frecuencia, voltajes en
AC, DC, impulso, la distancia de las esferas, presión actual. Asimismo, se cuenta con la
representación gráfica de la señal de voltaje en AC, DC e impulso. Se detalla el estado del
reporte en el anexo 6.
Básicamente, este reporte indicará los momentos en los que se produjo la descarga
disruptiva con respecto a la presión, esta prueba es netamente de demostrativa respecto a la
influencia de la presión frente a el nivel de tensión.
4.6.9. PRUEBA DE AISLADORES
En este se va a encontrar los valores relacionados con la medición de frecuencia y voltaje
en AC. También, se cuenta con la representación gráfica de la señal de voltaje en AC y del
tipo de aislador utilizado dentro de la práctica, ya qué se cuenta con una base de datos. Se
detalla el estado del reporte en el anexo 6.
El tipo de reporte que se creó con la facilidad de describir características adicionales que se
pueden dar durante la práctica según la norma de aisladores ANSI C29.1 en la cual se
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185
explica los procesos y describe el tipo de prueba a realizar con sus características, además
en las normas ANSI C29.7 y ANSI C29.5 describen las características básicas de niveles de
tensión de los aisladores de bajo, medio y alto voltaje.
4.6.10. PRUEBA DE AISLADORES EN CONDICIONES DE CONTAMINACIÓN
En este se va a encontrar los valores relacionados con la medición de frecuencia, voltaje en
AC y grado de contaminación. Igualmente se cuenta con la representación gráfica de la
señal de voltaje en AC, y del tipo de aislador utilizado dentro de la práctica. Se detalla el
estado del reporte en el anexo 6.
Además se cuenta con una base de datos de los tipos de aisladores utilizados en el mercado
ecuatoriano, este tipo de prueba es similar a la anterior pero esta dependerá de un grado de
contaminación que se le aplique al aislador por lo que se necesitará tener referencia de la
norma recomendaciones para distancia de fuga en aisladores para ambientes contaminados,
norma IEC 815.
4.6.11. PRUEBA DE PARARRAYOS
En este se va a encontrar los valores relacionados con la medición, frecuencia y voltaje en
AC, DC, impulso, la distancia de las esferas, presión actual. También, se cuenta con la
representación gráfica de la señal de voltaje en AC, DC, impulso, tipo de pararrayos y
características adicionales dentro del reporte, ya qué se cuenta con una base de datos básica.
Se detalla el estado del reporte en el anexo 6.
Todos los reportes son enviados por medio de email, para que el usuario pueda llevar la
información después de haber realizado cada ensayo.
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186
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
Con el equipo actual y las condiciones del laboratorio, se tendrían problemas en
implementar el sistema de monitoreo ya que se requerirá de nuevos tipos de
tecnología para el control y monitoreo del laboratorio.
El sistema de monitoreo, deberá brindar de una manera ordenada los datos
obtenidos por cada práctica o ensayo realizado, ya que la programación que se
realice debe tener la posibilidad de ampliación o de administración a futuro para
llegar a tener nuevas prácticas sin que perjudicar a las actuales.
El campo magnético producido dentro de un laboratorio de Alta Tensión, puede
causar fallas a los equipos de monitoreo y mostrar señales parasitas dentro del
sistema, haciendo que la confiabilidad no sea la adecuada o provocando el daño a
los mismos.
Los resultados del estudio de un centro de control y monitoreo muestran que se
deben buscar tecnologías acorde a las prácticas o ensayos que se realicen dentro de
un laboratorio de Alta Tensión, ya que la velocidad de muestreo y el procesamiento
de datos debe ser la más rápida posible.
Dentro del sistema Windows 7 se presentan inconvenientes al momento de ejecutar
el programa realizados por la incompatibilidad de Labview de 32 bits a un Windows
de 64 bits, además, la incompatibilidad del sistema de Labview 2012 con el office
2010, para la creación de reportes.
La velocidad de procesamiento de las señales producidas por el laboratorio de Alta
Tensión estará en función del equipo que se disponga, ya sea un equipo que se
encargue de analizar todas las señales y se lo pueda monitorear o un equipo que solo
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187
se encargue de adquirir la señal y sea el computador el que se encargue de
procesarla.
El sistema monitoreo y control debe estar abierto a modificaciones, ya que este
tendrá que actualizarse de acuerdo nuevos parámetros o casos de estudio; y debe
mostrar un fácil manejo.
El sistema de control debe estar en función a normas internas de los equipos OT 276
y DMI 551, ya que estos brindan una seguridad frente a problemas de mal
funcionamiento de los equipos de Alta Tensión; por errores dentro de la
construcción de los circuitos de cada práctica o ensayo.
El sistema de monitoreo debe ser capaz mostrar las desviaciones que se produce por
el clima, ya que los valores de presión y humedad son fundamentales para las
pruebas de disrupción dieléctrica en el aire y las señales de impulso no controladas.
En el centro de control hay que considerar todas las normas eléctricas utilizadas
para cada uno de los ensayos, ya que de estas dependerán la confiabilidad en un
correcto manejo del laboratorio y de su correcto uso.
Para un centro es fundamental contar con los requerimientos básicos descritos
anteriormente de hardware y software, para tener un correcto funcionamiento del
sistema.
RECOMENDACIONES
Se recomienda la marca National Intruments; ya esta cuenta con un tipo de
programación simple y confiable para la realización de un sistema de monitoreo,
permitiendo programar de acuerdo a los parámetros de estudio y teniendo la opción
de ampliación a futuro. También, se puede encontrar tarjetas de adquisición en
función de los niveles de voltajes, velocidades de muestreo, canales de adquisición
aislados y requerimientos industriales, facilitando su interface con dichos
dispositivos.
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188
Se debe mejorar el estado de la jaula de Faraday, ya que los campos magnéticos
producidos durante una simulación afectaron al equipo de medición, por eso la
importancia de tener una jaula de Faraday que rodee toda el área donde se realizan
las prácticas de Alta Tensión, para evitar daños a equipos o personas.
La ubicación de cada uno de los elementos básicos de un centro de control, deben
estar en función de la movilidad, seguridad de los equipos y principalmente de las
personas que se encuentren en el laboratorio.
El uso de tecnologías de adquisición en tiempo real, podrá mejorar el proceso de
adquisición de datos, optimizando la confiablidad del sistema de monitoreo, porque
estos equipos no dependerán de un subsistema de procesamiento de datos (PC-
DAQ), ya que se manejarían de forma independiente.
Se sugiere tener acceso a puertos de comunicación SMTP dentro de la Universidad
Politécnica Salesiana de los diferentes tipos de correo como lo son: Hotmail para el
puerto 587, yahoo para el puerto 465, Gmail para el puerto 587 y el de Universidad
Politécnica Salesiana, por lo que el sistema de monitoreo requiere el uso de un
puerto de comunicaciones para él envió del reporte hacia el email del estudiante o
persona que lo requiera.
Buscar la participación de profesionales capacitados para la implementación de
sensores, ya que estos deben ser puestos de forma fija y brindando la seguridad de
movilidad de los equipos para cada ensayo.
Los conectores y cables sean estos de comunicaciones o de conductores de las
señales producidas por los equipos de Alta Tensión o de monitoreo, deben estar
provistos de un recubrimiento o malla para evitar pérdidas o filtraciones de señales
parasitas dentro del sistema de monitoreo, ya que se podrían tener fallas en la
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189
medición o daño a los equipos y personal, que se encuentre en el centro de
monitoreo.
Se pueden utilizar sensores de corriente para medir el efecto de la corriente sobre
los elementos que conforman cada circuito de la Alta Tensión, ya que estos son
esenciales dentro de cada práctica y el equipo adquisición de datos debe con entrada
de corriente o tener un elemento que obtenga la relación de corriente con respecto a
voltaje.
Se pueden utilizar sensores pirométricos y de temperatura ambiente para la
detección de la temperatura en las prácticas de las pruebas en aceite del
transformador, aisladores y de pararrayos, ya que la temperatura es fundamental
dentro del estudio de los elementos de la Alta Tensión.
Se sugiere utilizar el tipo de computadora descrita dentro del estudio, pero esta a su
vez no debe contener aplicaciones adicionales a las del centro de control, ya que
consumen los recursos del procesador y memoria haciendo que el sistema sea
inestable.
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190
ANEXOS
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191
ANEXO 1
CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO DMI 551
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192
Sus conexiones son:
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193
ANEXO 2
CUIDADOS PERSONALES
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194
El ser humano con sólo 20 mA que pasen al corazón, pueden producir la muerte de una
persona. Las descargas producidas por Alta tensión; emiten ruido electromagnético que
pueden alterar el funcionamiento de marcapasos, produciendo el mal funcionamiento de
este y provocando la muerte.
Dentro de este laboratorio se dispone de un cable desnudo de cobre o bien se interconectan
todos los equipos de control, medida y de las estructuras metálicas, para que este llegue lo
más pronto a la malla atierra para despegar la falla. Ya que si se produce una falla en la
aislación del conductor correspondiente a fase, éste se pondrá en contacto con la tierra y
quemará los fusibles del Laboratorio y si estos no actúan, la falla llegaría a los equipos de
control y monitoreo dañándoles.
En el Laboratorio, se suelen usar adaptadores para enchufes. Hay que tener en cuenta que
cuando se usan deben conectarse a la tierra del equipo.
En el caso particular de trabajos con Alta Tensión, hay algunas recomendaciones
especiales:
NUNCA:
Realizar los trabajos dentro del laboratorio de Alta Tensión si se encuentra solo, ya
que obligatoriamente se dependerá de un grupo de personas para proteger la
integridad física de alguno de los estudiantes o personal que se encuentren dentro
del laboratorio.
Tocar un cable de Alta Tensión, jaula de Faraday o cualquier cosa que haya sido
conectada a una fuente de Alta Tensión; sin primero haber sido cortocircuitado a
tierra al menos dos veces dicho elemento. El laboratorio debe tener una barra de
aislación (pértiga) para ser usada como descargador de los elementos que se
encuentren con potencial, antes de entrar al laboratorio de Alta Tensión.
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195
SIEMPRE:
Suponer que los condensadores están cargados. La fuente de Alta Tensión puede
tener condensadores que permanezcan cargados; aun si la fuente ha sido apagada.
Utilizar la barra de tierra (pértiga) antes de entrar a realizar o modificar cualquier
circuito dentro de la jaula de Faraday.
Recordar que el laboratorio posee luces indicadoras para cuando el equipo es
utilizado; rojo para cuando se encuentra desenergizado y verde para cuando esta
energizado.
Asegurarse que el piso y la mesa donde se encuentre el equipo de control y
monitoreo estén secos.
Asegurarse que los equipos de medida y control se encuentren conectados
correctamente a los circuitos armados dentro del laboratorio para evitar fallos que
pueden causar daño a equipos o personas
Controlar la calidad de la conexión a tierra del circuito antes de conectarlo.
MANEJO DE ALTA TENSIÓN
La tensión de línea también es potencialmente peligrosa, ya que con más de 80 V el
cuerpo humano admite una corriente capaz de producir paro cardíaco.
Por norma de seguridad todos los equipos tienen su correspondiente conexión, no
conecte erróneamente los equipos.
En el laboratorio es muy frecuente utilizar adaptadores de enchufes. siempre hay
que tener en cuenta que estos pueden desconectarse.
Pasos a seguir para realizar Descargas Eléctricas en el Laboratorio
Hay dos personas encargadas de operar la fuente y equipo de control.
Quien opera la fuente no debe ser molestado ni distraído. Esta persona debe
controlar y es la única que debe estar controlando los equipos para evitar errores en
el uso adecuado de los equipos.
La persona que opere la fuente es responsable por la vida de los demás.
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196
Debe ir declarando en voz alta las tensiones que va tomando el transformador en el
secundario (1 kV… 2 kV… etc).
Debe decir: “Descargo” cuando se procede a desenergizar el equipo.
La persona que carga del equipo de control es el responsable de ponerlo a tierra
inmediatamente después de finalizar cada maniobra.
Es inadmisible que una persona “ayude” a otra descargar el equipo.
RECORDAR SIEMPRE QUE:
El transformador u otros equipos dentro del laboratorio de Alta Tensión pueden
conservar una cantidad de carga letal durante varias horas, aunque estos estuviesen
desconectados de la fuente.
Para descargar eficientemente un capacitor es necesario cortocircuitarlo tres veces.
Un capacitor puede cargarse “solo” (por gradiente de campo eléctrico).
Algunos materiales considerados buenos aislantes a baja tensión pueden llegar a ser
buenos conductores a alta tensión.
Es importante mantener prudente distancia de objetos metálicos como: armazones,
estanterías, tuberías, que se extiendan hacia la zona de Alta Tensión, o cuya
extensión sea desconocida.
Cuando se trabaja con tensión vale la regla de “una mano en el bolsillo”
Apagar una fuente de alta tensión, no implica que los equipos se descarguen
automáticamente, es necesario descargarlos siempre con un mecanismo de puesta a
tierra y una pértiga
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197
ANEXO 3
PLANO LABORATORIO ALTA TENSIÓN
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198
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199
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200
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201
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202
ANEXO 4
NORMA 60815
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203
TABLA NORMA 60815 177
Nivel de
Contaminación Descripción del Ambiente
Distancia de fuga
Nominal mínima
(mm/kVφ-φ)
Ligero
Nivel I
Áreas sin industrias y con baja densidad de casas
equipadas con calefacción.
Áreas con baja densidad de industrias o casas pero
sujetas a frecuentes vientos o lluvia.
Todas las áreas situadas de 10 km a 20 km del mar y
no expuestas a vientos directos provenientes del mar.
Áreas agrícolas o Áreas montañosas
16
Medio
Nivel II
Áreas con industrias que no producen humo
contaminante y/o con densidad moderada de casas
equipadas con calefacción.
Áreas con alta densidad de casas pero sujetas a
frecuentes vientos y/o lluvia.
Áreas expuestas a vientos del mar pero no cercanas a
la costa
20
Alto
Nivel III
Áreas con alta densidad de industrias y suburbios de
grandes ciudades con alta densidad de casas con
calefacción que generen contaminación.
Áreas cercanas al mar o expuestas a vientos
relativamente fuertes procedentes del mar.
25
177
Norma IEC 815, pp. 11-12.
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204
Muy Alto
Nivel IV
Áreas generalmente de extensión moderada, sujetas a
contaminantes conductiva, y humo industrial, que
produzca depósitos espesos de contaminantes.
Áreas de extensión moderada, muy cercana a la costa
y expuesta a rocío del mar, o a vientos muy fuertes
con contaminación procedentes del mar.
Áreas desérticas, caracterizadas por falta de lluvia
durante largos períodos, expuesta a fuertes vientos
que transporten arena y sal, y sujetas a condensación
con regularidad.
31
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205
ANEXO 5
IEEE STD 4-1995 STANDARD TECHNIQUES FOR HIGH-VOLTAGE
TESTING
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206
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207
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208
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209
ANEXO 6
REPORTES
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210
Generación y medición de alto voltaje en AC 100kV.
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211
Generación y medición de alto voltaje en AC y DC.
.
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212
Generación y medición de alto voltaje de impulso
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213
Prueba destructiva de la rigidez dieléctrica del aire
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214
Pruebas de aislamientos de un transformador
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215
Pruebas de aceite de un transformador
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216
Determinación de las características dieléctricas del aire
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217
Rigidez dieléctrica del aire a diferentes presiones
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218
Prueba de aisladores
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219
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220
Prueba de aisladores en condiciones de contaminación
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221
Prueba de pararrayos
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222
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223
REFERENCIAS
[1]. A. Rodríguez Penin, "Sistemas SCADA", Marcombo, S.A, 2ª ed., 1ª imp. 2007, pp.
19-26.
[2]. C. Strauss, “Practical Electrical Network Automation and Communication Systems”
Editorial Butterworth-heinemann, 2003, pp. 108 -118.
[3]. D. Bailey, E. Wrigt, "Practical SCADA for Industry", Linacre House, Jordan Hill,
Oxford OX2 8DP, pp. 1-10.
[4]. A.Rodríguez Penin, "Sistemas SCADA", Marcombo, S.A, 2ª ed., 1ª imp. 2007, pp.
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[5]. D. Bailey, E. Wrigt, "Practical Fiber Optics", Linacre House, Jordan Hill, Oxford
OX2 8DP, pp. 46-47.
[6]. F. G. Gutiérrez, "Sistemas de Aeronaves de Turbina IV", Volumen 4, pp 223-224.
[7]. D. Bailey, E. Wrigt, “Practical Data Communications for Instrumentation and
Control", Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, pp. 116-123.
[8]. D. Bailey, E. Wrigt, "Practical Fiber Optics", Linacre House, Jordan Hill, Oxford
OX2 8DP, pp. 54-66.
[9]. J. R. Vacca, "OPTICAL NETWORKING BEST PRACTICES HANDBOOK",
Wiley-Interscience, 2006, p 98.
[10]. A. Rodríguez Penin, "Sistemas SCADA", Marcombo, S.A, 2ª ed., 1ª imp. 2007, p
258.
[11]. D. Bailey, E. Wrigt, "Practical SCADA for Industry", Linacre House, Jordan Hill,
Oxford OX2 8DP, pp. 182-188.
[12]. D. Bailey, E. Wrigt, “Practical Data Communications for Instrumentation and
Control", Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, pp. 40-44.
[13]. A. Rodríguez Penin, "Sistemas SCADA", Marcombo, S.A, 2ª ed., 1ª imp. 2007, p.
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[14]. D. Bailey, E. Wrigt, "Practical SCADA for Industry", Linacre House, Jordan Hill,
Oxford OX2 8DP, pp. 188-189.
[15]. D. Bailey, E. Wrigt," Practical Data Communications for Instrumentation and
Control", Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, pp. 59-61.
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224
[16]. A. Rodríguez Penin, “Sistemas SCADA”, Marcombo, S.A, 2ª ed., 1ª imp. 2007. p.
259.
[17]. D. Bailey, E. Wrigt, "Practical SCADA for Industry", Linacre House, Jordan Hill,
Oxford OX2 8DP, p 190.
[18]. W. Tomasi,"Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, 4ª ed", Prentice Hall
México, 2003, p 10.
[19]. D. Bailey, E. Wrigt, "Practical SCADA for Industry", Linacre House, Jordan Hill,
Oxford OX2 8DP, p 179.
[20]. A. Rodríguez Penin, "Sistemas SCADA", Marcombo, S.A, 2ª ed., 1ª imp. 2007, p
262.
[21]. D. Bailey, E. Wrigt, "Practical SCADA for Industry", Linacre House, Jordan Hill,
Oxford OX2 8DP, p 178.
[22]. A. Rodríguez Penin, "Sistemas SCADA", Marcombo, S.A, 2ª ed., 1ª imp. 2007. p.
263.
[23]. A. Rodríguez Penin, "Sistemas SCADA", Marcombo, S.A, 2ª ed., 1ª imp. 2007. pp.
316-326.
[24]. D. Bailey, E. Wrigt, “Practical Data Communications for Instrumentation and
Control", Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, pp. 255-264.
[25]. AS-Interface, "Introducción y Nociones fundamentales", Manual, Siemens, pp. 9-
20.
[26]. D. Bailey, E. Wrigt, “Practical Data Communications for Instrumentation and
Control", Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, pp. 274-280.
[27]. A. Rodríguez Penin, "Sistemas SCADA", Marcombo, S.A, 2ª ed., 1ª imp. 2007, pp.
327-332.
[28]. P. Zhang, Industrial Control Technology A Handbook for Engineers and
Researchers, Elsevier, 2008, pp. 289-291.
[29]. PROFIBUS, PROFIBUS system description, 2012,
http://www.profibus.com/nc/downloads/downloads/profibus-technology-and-
application-system-description/display/
[30]. D. Bailey, E. Wrigt, “Practical Data Communications for Instrumentation and
Control", Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, p. 299.
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225
[31]. D. Bailey, E. Wrigt, "Practical Fiber Optics", Linacre House, Jordan Hill, Oxford
OX2 8DP, pp. 204-208.
[32]. D. Bailey, E. Wrigt, “Practical Data Communications for Instrumentation and
Control", Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, pp. 302-304.
[33]. E. Herrera, "Tecnologías y redes de transmisión de datos", Limusa 2003, pp. 127-
129.
[34]. P. Rob, C. Coronel,"Sistemas de bases de datos: diseño, implementación y
administración", (5ª ed.), Ediciones Paraninfo, S.A., 2004, p. 806.
[35]. P. Gil Vázquez, J. Pomares Baeza, Francisco Candelas Herias,”Redes y transmisión
de datos”, Universidad de Alicante. Servicio de publicaciones, 2010, p 81.
[36]. J. A. Gómez, "Servicios en Red", Editorial Editex, 2010, pp. 212-213.
[37]. A. Rodríguez Penin, "Sistemas SCADA", Marcombo, S.A, 2ª ed., 1ª imp. 2007, p.
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[38]. A. Rodríguez Penin, "Sistemas SCADA", Marcombo, S.A, 2ª ed., 1ª imp. 2007, pp.
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